Perowskit-Silicium Tandem-Photovoltaik

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.

Highlights

  • 25.1% Wirkungsgrad für Perowskit-Silicium-Tandemsolarzelle mit stabilen Perowskitabsorber mit hoher Bandlücke. Tendenz schnell steigend
  • Detaillierte Kostenrechnungen zeigen Kostenvorteil für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen in der Zukunft
  • Fraunhofer Leitprojekt ­MaNiTUzur Entwicklung bleifreier Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen

Forschung und Entwicklung

© Fraunhofer ISE

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 FA0,75Cs0,25Pb(I0,8Br0,2)3 konnten wir eine optimale Bandlücke von 1.68 eV und eine hohe Stabilität erreichen. Als Elektronenkontakt fungierte eine Schicht aufgedampftes C60, gefolgt von SnOx 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.

© Fraunhofer ISE/Foto: Dirk Mahler

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.

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema:

FuE-Infrastruktur

Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen

Forschungsprojekt

PersiST

Fraunhofer-Leitprojekt

MaNiTU

Aktuelle Veröffentlichungen - Perowskit-Silicium Tandemsolarzellen

YearTitle/AuthorDocument Type
2021Electroplated Copper Metal Contacts on Perovskite Solar Cells
Hatt, T.; Kabakli, Ö.; Schulze, P.; Richter, A.; Glunz, S.W.; Glatthaar, M.; Goldschmidt, J.C.; Bartsch, J.
Journal Article
2021High-Efficiency Monolithic Photosupercapacitors: Smart Integration of a Perovskite Solar Cell with a Mesoporous Carbon Double-Layer Capacitor
Berestok, T.; Diestel, C.; Ortlieb, N.; Buettner, J.; Matthews, J.; Schulze, P.S.C.; Goldschmidt, J.C.; Glunz, S.W.; Fischer, A.
Journal Article
2021Optimized Front TCO and Metal Grid Electrode for module-integrated Perovskite-Silicon Tandem Solar cells
Messmer, C.; Tutsch, L.; Pingel, S.; Erath, D.; Schön, J.; Fell, A.; Goldschmidt, J.C.; Goraya, B.S.; Clement, F.; Lorenz, A.; Nold, S.; Bivour, M.; Glunz, S.W.; Hermle, M.
Journal Article
2021Passivating Poly-Si Tunnel Junctions with Oxide-based Diffusion Barriers for Interconnection in Perovskite/Si Tandem Solar Cells: Paper presented at International Conference on Crystalline Silicon Photovoltaics, SiliconPV 2021, Online, Germany, 19.-22.04.2021
Penn, M.; Luderer, C.; Reichel, C.; Goldschmidt, J.C.; Feldmann, F.; Bivour, M.; Hermle, M.
Presentation
2021Tackling the Challenges for Industrialization of Perovskite Silicon Tandem Solar Cells: Presentation held at EU PVSEC 2021, 38th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Lissabon, Portugal, 06.-10. September 2021, virtuell
Goldschmidt, J.C.; Schulze, P.S.C.; Kabakli, Ö.S.; Bett, A.J.; Bivour, M.; Efinger, R.; Feldmann, F.; Fett, B.; Gerspacher, F.M.; Goraya, B.S.; Herbig, B.; Heydarian, M.; King, H.; Lange, S.; Luderer, C.; Messmer, C.; Nagel, H.; Naumann, V.; Nold, S.; Penn, M.; Reichel, C.; Schubert, M.C.; Romero Sierra, C.A.; Sittinger, V.; Tutsch, L.; Hermle, M.; Glunz, S.W.
Presentation
202025.1% High‐Efficiency Monolithic Perovskite Silicon Tandem Solar Cell with a High Bandgap Perovskite Absorber
Schulze, P.S.C.; Bett, A.J.; Bivour, M.; Caprioglio, P.; Gerspacher, F.M.; Kabakli, Ö.S.; Richter, A.; Stolterfoht, M.; Zhang, Q.; Neher, D.; Hermle, M.; Hillebrecht, H.; Glunz, S.W.; Goldschmidt, J.C.
Journal Article
2020High Bandgap Absorber for Monolithic Perovskite Silicon Tandem Solar Cells Reaching 25.1% Certified Efficiency and Ways Beyond
Schulze, P.S.; Bett, A.J.; Kabakli, Ö.S.; Winkler, K.M.; Mundt, L.E.; Gerspacher, F.M.; Zhang, Q.; Hofmann, C.L.; Bivour, M.; Hermle, M.; Glunz, S.W.; Hillebrecht, H.; Goldschmidt, J.C.
Conference Paper
2020Passivating contacts and tandem concepts: Approaches for the highest silicon-based solar cell efficiencies
Hermle, M.; Feldmann, F.; Bivour, M.; Goldschmidt, J.C.; Glunz, S.W.
Journal Article
2020Perovskite Hybrid Evaporation/ Spin Coating Method: From Band Gap Tuning to Thin Film Deposition on Textures
Schulze, P.S.C.; Wienands, K.; Bett, A.J.; Rafizadeh, S.; Mundt, L.E.; Cojocaru, L.; Hermle, M.; Glunz, S.W.; Hillebrecht, H.; Goldschmidt, J.C.
Journal Article
2020The Race for Lowest Costs of Electricity Production: Techno-Economic Analysis of Silicon, Perovskite and Tandem Solar Cells
Zafoschnig, L.A.; Nold, S.; Goldschmidt, J.C.
Journal Article
2020The Race for the Best Silicon Bottom Cell. Efficiency and Cost Evaluation of Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells: Presentation held at 37th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, EU PVSEC 2020, Lisbon, Portugal, 7th September 2020, online
Messmer, C.; Goraya, B.S.; Nold, S.; Schulze, P.S.; Schön, J.; Goldschmidt, J.C.; Bivour, M.; Glunz, S.W.; Hermle, M.
Presentation
2020Tandem cells under the weather
Goldschmidt, J.C.
Journal Article
2020Two-Terminal Perovskite Silicon Tandem Solar Cells with a High-Bandgap Perovskite Absorber Enabling Voltages over 1.8 V
Bett, A.J.; Schulze, P.S.C.; Winkler, K.; Kabakli, Ö.; Ketterer, I.; Mundt, L.; Reichmuth, S.K.; Siefer, G.; Cojocaru, L.; Tutsch, L.; Bivour, M.; Hermle, M.; Glunz, S.W.; Goldschmidt, J.C.
Journal Article
2020Vapor-Phase Formation of a Hole-Transporting Thiophene Polymer Layer for Evaporated Perovskite Solar Cells
Suwa, K.; Cojocaru, L.; Wienands, K.; Hofmann, C.; Schulze, P.S.C.; Bett, A.J.; Winkler, K.; Goldschmidt, J.C.; Glunz, S.W.; Nishide, H.
Journal Article
2019Efficiency Enhancement and Hysteresis Mitigation by Manipulation of Grain Growth Conditions in Hybrid Evaporated-Spin-Coated Perovskite Solar Cells
Rafizadeh, S.; Wienands, K.; Schulze, P.S.; Bett, A.J.; Andreani, L.C.; Hermle, M.; Glunz, S.W.; Goldschmidt, J.C.
Journal Article
2019The Role of Surface Passivation Layer Preparation on Crystallization and Optoelectronic Performance of Hybrid Evaporated-Spincoated Perovskite Solar Cells
Rafizadeh, S.; Wienands, K.; Mundt, L.E.; Bett, A.J.; Schulze, P.S.C.; Andreani, L.C.; Hermle, M.; Glunz, S.W.; Goldschmidt, J.C.
Journal Article
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