In einer Tandem-Solarzelle wird ein Material mit hoher Bandlücke in einer Top- Solarzelle – die hochenergetische Photonen nutzt – auf eine Bottom- Solarzelle aus Silicium – die niederenergetische Photonen nutzt – gestapelt. Für die obere Solarzelle sind Metallhalogenidperowskite (mit der allgemeinen Struktur ABX₃) ein idealer Kandidat. Perowskit-Solarzellen haben bemerkenswerte Fortschritte in Bezug auf den Wirkungsgrad gemacht und können kostengünstig hergestellt werden. Darüber kann bei Perowskiten die Bandlücke festgelegt werden – jener Parameter, der bestimmt, welcher Teil des Sonnenspektrums genutzt wird.

Patricia S. C. Schulze ist Doktorandin am Fraunhofer ISE und am Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Freiburg. Ihre Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von monolithischen Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen, insbesondere auf die Entwicklung von effizienten und stabilen Perowskit-Absorbern mit hoher Bandlücke, Oberflächenpassivierungsstrategien und angepassten Kontaktmaterialien. Darüber hinaus untersucht sie Abscheidungs­techniken für Perowskit-Solarzellen auf mikroskopisch kleinem texturiertem Silicium. Auf der 37. EU PVSEC wurde Patricia S. C. Schulze für ihren Beitrag »High Band Gap Absorber for Monolithic Perovskite Silicon Tandem Solar Cells Reaching 25.1% Certified Efficiency and Ways Beyond« mit dem Best Student Award ausgezeichnet. In dieser Arbeit stimmten Patricia und ihr Team die Perowskit-Zusammensetzung systematisch ab, um eine verbesserte Photostabilität zu erzielen. Eine zusätzliche Oberflächenpassivierung an den Grenzflächen zwischen dem Perowskit und den Kontakten ermöglichte eine hohe Spannung. Durch die Implementierung des Perowskit-Materials mit einer optischen Bandlücke von 1,69 eV wurde ein bestätigter Wirkungsgrad von 25,1% für die Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen erreicht.

Christoph Messmer ist Doktorand am Fraunhofer ISE und am Institut für Nachhaltige Technische Systeme INATECH der Universität Freiburg. Seine Promotion wird durch ein Stipendium der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert und konzentriert sich auf die numerische Simulation hocheffizienter Siliciumsolarzellen, insbesondere auf die Untersuchung passivierender Kontakttechnologien und deren Anwendung in Tandembauelementen wie Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen. Für seinen Plenarvortrag »The Race for the Best Silicon Bottom Cell: Efficiency and Cost Evaluation of Perovskite-Silicon Tandem Cells« wurde er mit dem Best Student Award ausgezeichnet.

In dieser Arbeit untersuchten Christoph und sein Team verschiedene Silicium-Bottom-Zellkonzepte auf der Basis der PERC-, TOPCon- und SHJ-Techno­logien, um das Effizienz- und Kostenpotenzial von Perowskit-Silicium-Tandemzellen abzuschätzen. Für jede Tandemzelle wurde die technologische Machbarkeit untersucht, gefolgt von einer detaillierten Untersuchung des Effizienzpotenzials mit Hilfe eines experimentell validierten Simulationsmodells. Anschließend wurde jedes Bottom-Zellkonzept im Hinblick auf die Gesamtkosten der Unterzellebewertet. Die Zusammenführung des Wirkungsgradpotenzials und der Kostenbewertung ermöglichte es, die verschiedenen Tandemzellkonzepte in Bezug auf die Modulkosten pro W_p zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen vielversprechende Kandidaten sind, um die Stromgestehungskosten für den Eigentümer der PV-Anlage deutlich zu senken, und insbesondere, dass das Rennen um die beste Silicium-Bottom-Zelle noch offen ist.

Mehr Informationen zu Tandem-Solarzellen: https://www.ise.fraunhofer.de/en/key-topics/tandem-photovoltaics.html