Empa entwickelt neuen Tandem-Solarzellentyp

Die meisten aktuell verbauten Photovoltaik-Zellen basieren auf Silizium. Doch die Effizienz des Materials ist begrenzt und die Zellen sind so weit entwickelt, dass sie die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Silizium-Einfachzelle von 33 Prozent schon fast erreicht haben. Wie die Empa schreibt, sind die Materialeigenschaften des Siliziums der Grund für diese begrenzte Effizienz. 

Die sogenannte Bandlücke des Materials bewirkt, dass nur Photonen mit einer bestimmten Energie zu Strom umgewandelt werden können und Photonen mit einer höheren Energie können von den Solarzellen nicht "verwertet" werden. Mit Solarzellen aus anderen Materialien kann man diese Einschränkungen umgehen, wie Empa-Forscher Fan Fu weiss.

Er ist Gruppenleiter im Labor für Dünnfilme und Photovoltaik und forscht an hocheffizienten Solarzellen aus Perovskit. Eine Perovskit-Einfachzelle allein erreiche noch keinen höheren Wirkungsgrad, dennoch lasse sich die Bandlücke des Perovskits, anders als bei Silizium, durch die Variation der Zusammensetzung steuern, heisst es weiter.

Fan Fu, Severin Siegrist und Federico De Giorgi (von links) untersuchen die Solarzellen. (Source: zVg)

Höherer Wirkungsgrad durch Tandem-Bauweise

Wie die Empa schreibt, entsteht, wenn man zwei Perovskite mit unterschiedlichen Bandlücken zu Dünnschicht-Solarzellen verarbeitet und sie aufeinander stapelt, eine sogenannte Tandem-Solarzelle. In dieser speziellen Solarzelle "fängt" eine Perovskit-Schicht Photonen mit hoher Energie und die andere solche mit niedriger Energie und man erreicht so theoretische Wirkungsgrade von bis zu 45 Prozent. Alternativ können Tandem-Solarzellen auch aus einer Silizium-Schicht und einer Perovskit-Schicht bestehen.

Der Fokus von Fu und seinem Team liegt aktuell jedoch auf reinen Perovskit-Tandemzellen. Sie forschen unter anderem im Rahmen des EU-Forschungsprojekts "SuPerTandem", an dem  insgesamt 15 führende europäische Forschungsinstitutionen und Unternehmen beteiligt sind. Ziel des Projekts ist es, flexible Perovskit-Tandem-Module mit einem Wirkungsgrad von über 30 Prozent zu entwickeln, die man mit skalierbaren und kostengünstigen Verfahren produzieren kann.

Mehr Energie mit kleineren Anlagen

"Für Silizium-Solarzellen braucht es in der Regel hochreine Silizium-Einkristalle, die bei hoher Temperatur hergestellt werden", erklärt Fu. "Perovskit-Dünnschichten können hingegen gedruckt, verdampft oder aus der Lösung abgeschieden werden, mit einem entsprechend niedrigen CO2-Fussabdruck. Kleine Defekte, die dabei entstehen, beeinträchtigen ihre optoelektronischen Eigenschaften nur wenig." 

Der potenzielle Nutzen von Projekten wie "SuPerTandem" sei enorm, heisst es weiter. Je höher der Wirkungsgrad, desto günstiger werde die Solaranlage, denn die Zelle selbst mache weniger als 20 Prozent der Kosten für eine PV-Anlage aus. Steigere man jetzt die Effizienz der einzelnen Zellen, reicht eine kleinere und somit günstigere PV-Anlage für dieselbe Stromproduktion. 

Weitere Projekte und Zukunftspläne

Abgesehen von "SuPerTandem" forscht Fan Fus Team an einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) geförderten Projekt. Ziel dieses Projektes ist es, die Eigenschaften und Herausforderungen der Perovskit-Solarzellen besser zu verstehen, die zur Effizienz und Stabilität der Zellen beitragen. Zusätzlich setzen die Forschenden das erworbene Wissen in einem  Projekt mit dem Bundesamt für Energie (BFE) in die Praxis um und skalieren die an der Empa entwickelten Tandem-Zellen. 

Damit aber in Zukunft Perovskit-Tandemzellen ein so alltägliches Bild werden wie ihre "Verwandten" aus Silizium, müssen zwei Voraussetzungen erfüllt werden. "Zunächst müssen wir die Perovskit-Zellen von den heutigen Prototypen von wenigen Zentimetern Grösse auf Industriegrössen skalieren", sagt Fu. Da die Zellen noch ein wenig empfindlich sind, müssen die Forschenden einen Weg finden, um sie vor Witterungseinflüssen zu schützen. Fu ist aber optimistisch: "Die Forschung beschäftigt sich erst seit knapp 15 Jahren mit Perovskit-Solarzellen. An Siliziumzellen wird immerhin schon seit fast 70 Jahren geforscht."

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