Die Dreifach-Solarzelle (54 cm2).
Dreifach-Solarzelle stellt neuen Effizienz-Rekord auf
Ein Schweizer Team hat eine neue Solarzelle entwickelt, die mit 30,02 Prozent einen neuen Effizienzrekord für die entsprechende Kategorie aufgestellt hat. Sie besteht aus 3 Lagen: Silizium als Basis, darauf 2 dünne Schichten Perowskit.
Die Dreifach-Solarzelle vereine hohe Spannung, hohe Effizienz und skalierbare Fertigung, heißt es in einer Aussendung der beteiligten Universität EPFL. Die zugehörige Studie wurde in einer Vorabversion bei Nature veröffentlicht.
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Starke Effizienzsteigerung
„Wir zeigen, dass wir durch geschickte Konstruktion und Verarbeitung Leistungsniveaus erreichen können, die traditionell den teuersten III-V-Mehrfachsolarzellen vorbehalten waren, wie sie in der Raumfahrt genutzt werden und die aus mehreren Halbleiterschichten bestehen“, sagt Erstautor Kerem Artuk. Diese High-End-Solarzellen erreichten eine Effizienz von 37 Prozent, kosten aber pro Watt etwa das Tausendfache, so der Ingenieur. „Unser Zugang öffnet die Tür für eine neue Generation industriell realisierbarer, hocheffizienter Mehrfachsolarzellen.“
Das Team konnte die Effizienz seiner Solarzelle in den vergangenen Jahren drastisch steigern. Der erste Prototyp im Jahr 2018 kam nur auf 13 Prozent. Im Vergleich zu sogenannten Tandem-Solarzellen, die nur aus 2 Lagen bestehen, könnten Dreifach-Solarzellen sogar eine Effizienz von über 40 Prozent erreichen.
3 Lagen, 3 Verbesserungen
Doch Dreifach-Solarzellen sind nicht ohne Herausforderungen: Die obere Perowskit-Zelle leidet üblicherweise unter geringer Spannung, die Zelle in der Mitte erzeugt wenig Strom. Mit 3 Maßnahmen gelang es den Forscherinnen und Forschern, ihre Dreifach-Solarzelle weiterzuentwickeln:
Aufbau der Dreifach-Solarzelle: zwei dünne Perowskit-Zellen (orange und rot markiert) und eine Siliziumzelle (dunkelgrau). Die Materialien der einzelnen Schichten sind auf der rechten Seite angegeben. Die Pfeile auf der Rasterelektronenmikroskopaufnahme zeigen die verschiedenen Lichtfarben an, die von den einzelnen Solarzellen der Dreifach-Solarzelle absorbiert werden.
© EPFL PV-Lab
Ein Molekül, das die Kristallisation von Perowskit leitet und Defekte verhindert, sorgt dafür, dass die Zelle im Sonnenlicht eine höhere Spannung (1,4 Volt) erreicht. Eine neuartige Fertigungsmethode für die mittlere Schicht verbessert die Lichtabsorption im nahinfraroten Bereich des Sonnenlichts. Und Nanopartikel zwischen den unteren beiden Lagen reflektieren zusätzliches Sonnenlicht zurück zur mittleren Zelle, was deren Stromerzeugung verbessert.
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Gemeinsam mit dem Forschungsinstitut CSEM sollen als Nächstes Strategien zur Skalierung der neuen Architektur entwickelt werden. Außerdem sollen die Haltbarkeit, sowie die mögliche Integration in zukünftige Produkte getestet werden.
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