Perowskit-Silicium Tandemphotovoltaik

Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen versprechen niedrigere Stromgestehungskosten und einen geringeren Ressourcenverbrauch als herkömmliche Siliciumsolarzellen. Die Perowskitsolarzelle wird im Tandemstapel direkt auf die Siliciumsolarzelle abgeschieden. Da der Perowskithalbleiter eine höhere energetische Bandlücke als Silicium aufweist, kann die Perowskitsolarzelle hochenergetische Photonen besser nutzen als die Siliciumsolarzelle. Die Siliciumsolarzelle wiederum kann die niederenergetischen Photonen, die von der Perowskitsolarzelle transmittiert werden, effizient nutzen. Insgesamt steigt die Effizienz, und Wirkungsgrade von über 30 % sind möglich.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekts PersiST konnte das Fraunhofer ISE über 25 % Wirkungsgrad für eine Perowskit-Silicium-Tandemsolarzelle erreichen. Bei der Siliciumsolarzelle handelte es sich um eine a-Si/c-Si Heterojunction-Solarzelle, die auf der Rückseite texturiert war. Eine Schicht aus Indium-dotierten Zinnoxid (ITO) diente als elektrische Verbindung zur Perowskitsolarzelle. Auf dieser wurde eine sehr dünne Schicht eines organischen Lochleiters abgeschieden, gefolgt vom Perowskitabsorber. Mit der Absorberverbindung FA_0,75Cs_0,25Pb(I_0,8Br_0,2)₃ konnten wir eine optimale Bandlücke von 1.68 eV und eine hohe Stabilität erreichen. Als Elektronenkontakt fungierte eine Schicht aufgedampftes C60, gefolgt von SnO_x und einer weiteren ITO-Schicht (siehe Abbildung/Photo).

Im Fraunhofer Leitprojekt ­»MaNiTU«­ entwickeln wir diese Technologie nun mit dem Ziel noch höherer Wirkungsgrade weiter. Außerdem forschen wir an bleifreien Alternativen für den Absorber. Unter der Voraussetzung, dass es gelingt, hohe Wirkungsgrade von 28 % und eine Lebensdauer der Tandemzellen von mindestens 23 Jahren zu erreichen, lassen erste Analysen zum Lebensdauerzyklus bereits zum jetzigen Zeitpunkt einen großen ökologischen Mehrwert erkennen. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass die Schichten der Perowskitsolarzelle sehr dünn sind und durch den höheren Wirkungsgrad der CO₂-Fußabdruck zur Erzeugung einer Kilowattstunde Strom deutlich sinkt.

Ähnlich verhält es sich mit den Stromgestehungskosten: Die Herstellung der zusätzlichen Schichten für die Perowskitsolarzelle ist perspektivisch sehr kostengünstig möglich. Insgesamt steigt der Wirkungsgrad deutlich und die Kosten pro kWh Strom sinken. In einer ausführlichen Kostenanalyse haben wir festgestellt, dass Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen besonders vielversprechend für Anwendungen für Aufdachanlagen und andere Flächenbegrenzte Anwendungen sind und einen signifikanten Kostenvorteil gegenüber reinen Siliciumsolarzellen versprechen. Voraussetzung hierfür ist, dass die Perowskit-Technologie weiterentwickelt und innerhalb der nächsten Jahren ein Niveau erreicht, bei dem der Wirkungsgrad von Tandemsolarzellen im industriellen Maßstab 30 % übersteigt. Dabei gilt es kostengünstige Prozesse zu implementieren und die Lebensdauer der Module mit denen aus Silicium vergleichbar zu machen.