Durchbruch bei Tandemsolarzellen: Mehr Effizienz durch neue Passivierungsmethode
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE konnten erstmals zeigen, dass sich die Perowskit-Oberzelle auf der komplex strukturierten Oberfläche von Siliziumzellen wirksam passivieren lässt.
Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Science veröffentlicht und markieren einen Meilenstein für die Weiterentwicklung dieser Schlüsseltechnologie.
Silizium-Solarzellen sind heute der Industriestandard, stoßen mit einem maximalen Wirkungsgrad von 29,4 Prozent jedoch an physikalische Grenzen. Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen kombinieren zwei unterschiedliche Materialien: eine Silizium-Unterzelle mit pyramidenförmiger Oberfläche und eine darauf aufgebrachte Perowskit-Oberzelle. Durch diese Bauweise können deutlich höhere Wirkungsgrade erreicht werden – entscheidend für die Energiewende und die Wettbewerbsfähigkeit der Solarindustrie.
Die Herausforderung: Die rauen, texturierten Siliziumoberflächen erschweren bislang die gleichmäßige und hochwertige Beschichtung mit Perowskit. Auch eine effiziente Oberflächenpassivierung, die für die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Zellen entscheidend ist, war bisher nicht möglich.
Dem Team um Hauptautor Dr. Oussama Er-Raji vom Fraunhofer ISE gelang nun ein Durchbruch. Mit der chemischen Verbindung 1,3-Diaminopropan-Dihydroiodid konnte eine wirksame Passivierung der Perowskit-Schicht erzielt werden – und das auf voll texturierten Siliziumzellen.
Das Ergebnis: Die neuen Tandemsolarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von bis zu 33,1 Prozent bei einer Leerlaufspannung von 2,01 Volt. Damit übertreffen sie herkömmliche Siliziumzellen deutlich.
Außerdem stellten die Forschenden fest, dass die Passivierung bei Perowskit nicht nur die Oberfläche beeinflusst, sondern die gesamte Schicht verbessert. Dies steigert die Leitfähigkeit und den Füllfaktor der Zellen – ein Effekt, den es bei Siliziumzellen in dieser Form nicht gibt.
„Diese Erkenntnis bietet eine solide Grundlage für alle zukünftigen Forschungen in diesem Bereich“, sagt Prof. Stefaan De Wolf (KAUST). Sie ermögliche es, die physikalischen Prozesse besser zu verstehen und gezielt noch leistungsfähigere Tandemzellen zu entwickeln.
Auch Prof. Stefan Glunz (Universität Freiburg und Fraunhofer ISE) betont die Tragweite: „Die Oberflächenpassivierung war bei Siliziumzellen der Schlüssel zu hohen Wirkungsgraden in der Massenproduktion. Dass wir nun ähnliche Effekte auch bei Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen nutzen können, ist ein starkes Signal für die Industrie.“
Die Arbeiten entstanden im Rahmen mehrerer Forschungsinitiativen, darunter das Fraunhofer-Leuchtturmprojekt „MaNiTU“ sowie die vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekte „PrEsto“ und „Perle“. Sie unterstreichen die enge Verzahnung von Grundlagenforschung und anwendungsnaher Entwicklung – mit dem klaren Ziel, die nächste Generation von Solarzellen zur Marktreife zu bringen.
