Perowskite sind Verbindungen mit einer speziellen Kristallstruktur, die wegen ihres Potenzials zur Optimierung der Technologie zur Gewinnung von Solarenergie große Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben. Solarzellen aus Perowskit haben das Potenzial, flexibler und leichter als Dünnschicht-Photovoltaik und effizienter als starre Silizium-Solarmodule zu sein. Tatsächlich haben Forscher bereits Wirkungsgrade erreicht, die mit denen von Silizium-Solarzellen vergleichbar sind – und arbeiten nun an der praktischen Anwendung.
Der Wirkungsgrad von Solarzellen kann verbessert werden, indem zwei oder mehr verschiedene Zellen übereinander gestapelt werden – wenn die verschiedenen Schichten Licht aus verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums besonders effizient absorbieren, können Verluste im Vergleich zu Einzelschichten reduziert werden.
Auf diese Weise wird der Gesamtwirkungsgrad des Solarmoduls – ein Maß dafür, wie viel des auf die Zelle fallenden Lichts in Strom umgewandelt wird – erhöht.
Aufgrund ihrer Vielseitigkeit eignen sich Perowskite hervorragend als Komponenten in solchen Tandemsolarzellen.
Tatsächlich haben Tandem-Perowskit- und Silizium-Solarzellen rekordverdächtige Wirkungsgrade von mehr als 29 Prozent erreicht – verglichen mit nur 25,7 und 26,7 Prozent für Einzelzellen, die nur aus Perowskit bzw. Silizium bestehen.
Weitere Vorteile können durch die Kombination von Perowskiten mit Materialien wie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid erzielt werden.
Diese ermöglichen die Herstellung von leichten und flexiblen Tandem-Solarzellen, die nicht nur auf Gebäudedächern, sondern auch auf Fahrzeugen und tragbaren Geräten installiert werden können.
Es könnte sogar möglich sein, Sonnenkollektoren herzustellen, die zur Aufbewahrung aufgerollt und bei Bedarf ausgerollt werden können – wie zum Beispiel in Jalousien oder Markisen, die gleichzeitig Strom produzieren und Schatten spenden können.
Den Photonik-Experten Dr. Marco Ruiz-Preciado und Professor Ulrich Paetzold vom Karlsruher Institut für Technologie und seinen Kollegen ist es in ihrer Studie gelungen, Perowskit/CIS-Tandemsolarzellen mit einem maximalen theoretischen Wirkungsgrad von 24,9 Prozent (und 23,5 Prozent zertifiziert) herzustellen.
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Dr. Ruiz-Preciado sagte: „Dies ist der höchste berichtete Wirkungsgrad für diese Technologie und der erste hohe Wirkungsgrad, der überhaupt mit einer nahezu galliumfreien Kupfer-Indium-Diselenid-Solarzelle in einem Tandem erreicht wird.“
Die Verringerung der Galliummenge in der Zelle führt zu einer schmalen „Bandlücke“ von etwa 1 Elektronenvolt, die dem Ideal von 0,96 für eine niedrigere Solarzelle im Tandem sehr nahe kommt.
Als Bandlücke bezeichnet man den Teil des Spektrums, den eine Solarzelle absorbieren kann, um Strom zu erzeugen.
In einer Tandemsolarzelle müssen die Bandlücken so abgestimmt werden, dass die beiden Schichten ähnliche Ströme erzeugen, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen. Wenn sich die Bandlücke der unteren Zelle ändert, muss die Lücke der oberen Zelle entsprechend angepasst werden und umgekehrt.
Normalerweise werden Bandabstandsanpassungen durch die Verwendung von Perowskiten mit einem hohen Bromidgehalt vorgenommen – dies kann jedoch zu Spannungsproblemen und Phaseninstabilität führen.
Da die Forscher jedoch CIS-Solarzellen mit schmaler Bandlücke an der Basis der Tandemzellen verwendeten, konnten sie die oberen Schichten aus bromarmen Perowskiten herstellen, wodurch die Zellen stabiler und effizienter wurden.
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Prof. Paetzold ergänzt: „Unsere Studie zeigt das Potenzial der Perowskit/CIS-Tandemsolarzellen.“
Daneben, fügte er hinzu, „bildet es die Grundlage für die zukünftige Entwicklung, um ihre Effizienz weiter zu verbessern.
„Wir haben diesen Meilenstein dank der hervorragenden Zusammenarbeit im EU-Projekt PERCISTAND und insbesondere dank unserer engen Zusammenarbeit mit der niederländischen Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung erreicht.
Zusätzliche Grundlagenarbeit sei im Rahmen des von Deutschland geförderten CAPITANO-Projekts geleistet worden, fügte das Team hinzu.
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht.