Perowskit-Silicium Tandemsolarzellen

REM-Perowskit-Silicium-Tandemsolarzelle
© Fraunhofer ISE

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Perowskit-Silicium-Tandemsolarzelle mit Silicium-Heterojunction-Bottom-Zelle und Perowskit-Top-Zelle mit mesoporöser, regulärer Struktur.

© Fraunhofer ISE

Perowskit-Silicium Tandemsolarzelle auf Basis einer Siliciumsolarzelle mit passivierten selektiven Kontakten und zusätzlichen Lichtfallenstrukturen.

In den vergangenen Jahren ist die Stromerzeugung mit Siliciumsolarzellen bereits sehr viel billiger geworden. Die meisten der noch verbliebenen Kosten skalieren mit der Fläche. Deshalb ist eine Erhöhung des Wirkungsgrads der wirksamste Hebel, um die Stromgestehungskosten weiter zu senken. Um hier die Grenzen der reinen Silicium-Photovoltaik zu überwinden, entwickeln wir Perowskit-Silicium Tandemsolarzellen.

Perowskitsolarzellen können das hochenergetische blaue und grüne Licht deutlich effizienter nutzen als Siliciumsolarzellen. Die Siliciumsolarzellen wiederum nutzen das rote und infrarote Licht, was die Perowskitsolarzellen nicht können. Durch die Kombination dieser effizienten Einzelzellen wollen wir Wirkungsgrade oberhalb der sogenannten Auger-Grenze von 29,4 % erreichen.

Die Verwendung von Silicium für die untere Solarzelle ist deshalb attraktiv, weil wir so auf eine etablierte und kostengünstige Produktionstechnologie aufsetzen können und mit einer potenziell günstig herzustellenden Perowskitsolarzellen eine Wirkungsgradsteigerung ermöglicht wird.

Forschungsschwerpunkte

  • Entwicklung von Tandemsolarzellarchitekturen mit hohem Effizienzpotenzial
  • Transparente, selektive Kontaktschichten
  • Stabile, umweltfreundliche Perowskitabsorber mit angepasster Bandlücke
  • Prozesssequenzen zur Herstellung effizienter Tandemsolarzellen
  • Anpassung der Silizium Unterzelle auf die Bedürfnisse in der Tandemkonfiguration
  • Photonenmanagement für optimierte Quanteneffizienzen und Stromanpassung
  • Optische Modellierung kompletter Tandemsolarzellen und - Module
  • Genaue Zellparameterbestimmung (Strom-Spannungs-Charakteristik, Quanteneffizienz)
  • Ortsaufgelöste Material- und Zellanalysen mit Photolumineszenz, Thermographie, LBIC inkl. mikroskopischer Analyse
  • Zeitaufgelöste Photolumineszenz zur lokalen Ladungsträgerlebensdauerbestimmung
  • Methodenentwicklung zur Wirkungsgradanalyse von Tandemzellen und Teilzellen im Verbund

 

Labore und Ausstattung

  • Gloveboxen zur Prozessierung in Inert-Atmosphäre
  • Vakuumverfahren wie Sputtern, Aufdampfen und Atomlagenabscheidung (ALD) zur Herstellung von transparenten Kontaktschichten
  • Solarzellencharakterisierung (IV-Kennlinie, Stabilisierter Wirkungsgrad, EQE, ortsaufgelöste Photolumineszenz)
  • Materialcharakterisierung (Optische Spektroskopie, ortsaufgelöste statische und transiente Photolumineszenz, XRD, Mikro-LBIC, Elektronenmikroskopie, AFM)
  • Kamerabasierte Analyseverfahren: Photolumineszenz-Imaging, Lock-in Thermography
  • Reinraum zur Herstellung höchsteffizienter Silicium Untersolarzellen
  • Mikro- und Nanostrukturierungslabore für Photonenmanagement-Strukturen