Großes Problem von Tandem-Solarzellen mit bekanntem Molekül gelöst

Solarzellen widerstandsfähig, leicht, günstig und effizient zu machen ist die große Aufgabe der Energie-Forschung. Ein neuer Ansatz, wie man Silizium und Perowskit kombinieren kann und haltbar macht, könnte den Durchbruch bringen, um die Technologie massentauglich zu machen.

Solarzellen werden aktuell aus Silizium hergestellt. Sie sind robust und halten der Witterung stand. Aber ihre Effizienz stößt bei 29 Prozent an ihre Grenzen: Kommerzielle Zellen erreichen heute maximal 25 Prozent. Vielversprechend sind Zellen aus Perowskit, die im Labor mehr als 26 Prozent erreichten und dünner, leichter und günstiger sind als Silizium-Zellen. Allerdings sind sie sehr anfällig für Umwelteinflüsse, die das Material kristallisieren lässt und unbrauchbar macht.

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Kombiniert man die beiden Materialien, können Effizienzwerte über 30 Prozent erreicht werden. Dafür werden die verschiedenen Zellen in der Regel übereinander geschichtet, um die jeweiligen Vorteile zu nutzen.

Tandem-Solarzellen scheitern schon bei Produktion

Dass solche Tandem-Zellen sich aber auch gegenseitig schaden, haben Forscher der Universität Singapur und des chinesischen Photovoltaik-Unternehmens Zheijang Jinko jetzt untersucht. Um Tandem-Zellen zu produzieren, wird eine Schicht flüssiges Perowskit auf einen Silizium-Wafer aufgetragen. Damit daraus eine feste Schicht wird, wird der Wafer erhitzt. Das Lösungsmittel aus dem Perowskit verdampft und es entsteht eine feste Schicht.

Doch genau dieser Prozess wird zum Problem: Silizium leitet Wärme so gut, dass das Perowskit einen Hitzeschock bekommt und rapide kristallisiert. Die Schicht wird dadurch nicht gleichmäßig, sondern löchrig. Diese Defekte sorgen dafür, dass die Tandem-Zelle schlecht funktioniert, erklärte Jinko-Forscher Menglei Xu dem pv magazin. 

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Molekül bremst Kristallisierung

Dafür hat ein Team jetzt eine Lösung gefunden: 2-Mercaptobenzothiazol. Die organische Verbindung wird vor allem genutzt, um Gummi haltbarer zu machen und findet sich in Schuhsohlen, Reifen und Kondomen. Sie kann aber auch die Perowskit-Zellen schützen. 

Durch die Zugabe der Moleküle wird der Kristallisierungs-Prozess des flüssigen Perowskit verlangsamt und es trocknet zu einem glatten Film. Getestet wurde das mit einem herkömmlichen Silizium-Wafer von Jinko, auf den die modifizierte Perowskit-Schicht aufgetragen wurde. Der Prototyp erreichte im Labor unter Realbedingungen einen Wirkungsgrad von 32,76 Prozent. Nach 2 Monaten bzw. 1.700 Stunden Dauerbetrieb lag diese Effizienz noch bei 91 Prozent. 

Das Team hofft, mit ihrer Forschung die Massenproduktion von Tandem-Solarzellen mit hoher Lebensdauer möglich zu machen. "Unsere Arbeit offenbart ein bisher übersehenes Problem bei der Kristallisierung von Perowskit auf Silizium-Wafern. Sie liefert wichtige Erkenntnisse, wie Perowskit-Solarzellen in Mainstream-Silizium-Technologie integriert werden kann", schreiben die Studienautoren. Ihre Forschungsergebnisse wurden im Fachmagazin Nature veröffentlicht.