Pro­to­typ Ska­lier­ba­re Tan­dem Solarmodule

Son­nen­licht spielt als reich­lich ver­füg­ba­re und viel­sei­ti­ge Ener­gie­quel­le eine Schlüs­sel­rol­le, wenn es um die Umstel­lung von fos­si­len auf rege­ne­ra­ti­ve Quel­len sowie eine unab­hän­gi­ge Ener­gie­ver­sor­gung geht. Eine Solar­zel­le wan­delt das Son­nen­licht direkt in elek­tri­sche Ener­gie um. In den ver­gan­ge­nen Jah­ren haben sich Solar­zel­len aus Perow­skit-Halb­lei­tern dank hoher Wir­kungs­gra­de und nied­ri­ger Her­stel­lungs­kos­ten als beson­ders viel­ver­spre­chend erwie­sen. Die Effi­zi­enz einer Perow­skit-Ein­zel­zel­le ist trotz der enor­men Ent­wick­lung aller­dings begrenzt. Über­win­den lässt sich die­se Begren­zung durch das Sta­peln von zwei Solar­zel­len mit unter­schied­li­chen Band­lü­cken. Bei der Band­lü­cke han­delt es sich um eine Mate­ri­al­ei­gen­schaft, die den­je­ni­gen Teil des Licht­spek­trums bestimmt, den eine Solar­zel­le absor­biert, um Strom zu erzeugen.
Sta­peln stei­gert den Wirkungsgrad
Tan­dem-Solar­zel­len nut­zen einen brei­te­ren Teil des Licht­spek­trums und lie­fern mehr Strom, bie­ten also höhe­re Wir­kungs­gra­de. Perow­skit-Solar­zel­len mit abstimm­ba­rer Band­lü­cke eig­nen sich ide­al als Tand­em­part­ner für Solar­zel­len aus ande­ren Mate­ria­li­en, aber auch für Perow­skit-Perow­skit-Tan­dem-Solar­zel­len. Die­se zeich­nen sich aus durch kos­ten­güns­ti­ge Her­stel­lung, Ver­ar­bei­tung mit lösungs­ba­sier­ten Ver­fah­ren, mecha­ni­sche Fle­xi­bi­li­tät und die Frei­heit, ver­schie­de­ne Ein­zel­zel­len mit unter­schied­li­chen Perow­skit-Band­lü­cken zu kom­bi­nie­ren. Die For­schung geht davon aus, dass Perow­skit-Perow­skit-Tan­dem-Solar­mo­du­le zukünf­tig hohe Markt­an­tei­le erobern wer­den, sofern sie die Anfor­de­run­gen an Sta­bi­li­tät und Ska­lier­bar­keit erfül­len. Ska­lier­bar­keit bedeu­tet, dass sich Ent­wick­lun­gen auf grö­ße­re Maß­stä­be und auf die Mas­sen­fer­ti­gung über­tra­gen lassen.
Die Abtei­lung von Ten­u­re-Track-Pro­fes­sor Ulrich W. Paet­zold am Insti­tut für Mikro­struk­tur­tech­nik und am Licht­tech­ni­schen Insti­tut des KIT hat nun erfolg­reich einen Pro­to­typ für die Ska­lie­rung hoch­ef­fi­zi­en­ter Perow­skit-Perow­skit-Tan­dem-Solar­mo­du­le ent­wi­ckelt. Es gelang den For­schen­den, Perow­skit-Ein­zel­zel­len mit Wir­kungs­gra­den bis 23,5 Pro­zent bei einer Aper­tur­flä­che von 0,1 Qua­drat­zen­ti­me­tern zu Perow­skit-Perow­skit-Tan­dem-Solar­mo­du­len mit Wir­kungs­gra­den bis 19,1 Pro­zent bei einer Aper­tur­flä­che von 12,25 Qua­drat­zen­ti­me­tern auf­zu­ska­lie­ren. Die Aper­tur­flä­che ist der nutz­ba­re, nicht von Elek­tro­den, Rah­men oder Befes­ti­gun­gen ver­deck­te Teil der Flä­che. Bei der Auf­ska­lie­rung ist der Wir­kungs­grad­ver­lust mit rela­tiv cir­ca fünf Pro­zent gering. „Die­ses ist das welt­weit erst­mals gemel­de­te Ergeb­nis eines Perow­ski­t/­Pe­row­skit-Tan­dem-Solar­mo­duls“, sagt Dr. Bahram Abdol­lahi Nejand, Erst­au­tor der Publi­ka­ti­on und Team­lei­ter für Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule.
Drei Inno­va­tio­nen ermög­li­chen Aufskalierung
Das beacht­li­che Ergeb­nis basiert auf drei wesent­li­chen Inno­va­tio­nen: Die For­schen­den des KIT stei­ger­ten den Wir­kungs­grad durch geziel­tes Licht­ma­nage­ment, das heißt Opti­mie­ren des Licht­wegs und Redu­zie­ren von Refle­xi­on in der Solar­zel­len­ar­chi­tek­tur. Sie ver­wirk­lich­ten ein effi­zi­en­tes Lay­out für Tan­dem-Solar­mo­du­le mit­hil­fe einer Hoch­durch­satz-Laser-Struk­tu­rie­rung, die es ermög­licht, funk­ti­ons­fä­hi­ge Tan­dem-Solar-Mini­mo­du­le mit zwei­po­lig mit­ein­an­der ver­bun­de­nen Zell­strei­fen her­zu­stel­len. Schließ­lich ver­wen­de­ten die For­schen­den Beschich­tungs­ver­fah­ren wie Rakeln und Vaku­um­ab­schei­dung, die in der Indus­trie bereits eta­bliert sind. „Nur durch die Kom­bi­na­ti­on die­ser Exper­ti­se am KIT konn­te die­ses super For­schungs­er­geb­nis erzielt wer­den. Das Ergeb­nis moti­viert zu wei­te­ren Arbei­ten in For­schung und Indus­trie, um die eben­so nach­hal­ti­ge wie zukunfts­träch­ti­ge Tech­no­lo­gie der Perow­skit-Perow­skit-Tan­dem-Solar­mo­du­le durch Auf­ska­lie­rung sowie Ver­bes­se­rung der Sta­bi­li­tät zur Markt­rei­fe zu brin­gen“, erklärt Ten­u­re-Track-Pro­fes­sor Ulrich W. Paetzold.