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.
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