Deutsche Forscher stellen neuen Weltrekord mit Perowskit-CIGS-Tandemsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 25,5 % auf

In einem bedeutenden Durchbruch für die Photovoltaik-Technologie haben Forscher des deutschen Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und der Humboldt-Universität einen neuen Weltrekord bei der Energieumwandlungseffizienz von 25,5 % für eine Perowskit-CIGS-Tandemsolarzelle erzielt. Dieser von der European Solar Test Installation (ESTI) zertifizierte Meilenstein stellt den höchsten Wirkungsgrad dar, der jemals für diese spezielle Materialkombination gemessen wurde, und markiert einen großen Fortschritt in der Entwicklung von Dünnschicht-Solartechnologien.

Dieses Gerät kann aufgrund seines Designs, das sowohl eine obere Zelle (Perowskit) als auch eine untere Zelle (CIGS) verwendet, die zusammen eine sogenannte „monolithische Tandemstruktur“ bilden, einen Weltrekord in puncto Effizienz erreichen. Daher absorbiert und wandelt jeder Teil der Zelle Sonnenenergie bei unterschiedlichen Wellenlängen innerhalb des Sonnenspektrums um.-Das heißt, die obere Zelle absorbiert energiereiches (ultraviolettes) Licht. während die untere Zelle energiearmes (Infrarot-)Licht absorbiert. Aufgrund dieser Struktur absorbieren die Oberseite der oberen Zelle und die Unterseite der unteren Zelle unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums mit höherer Effizienz, als jedes einzelne Gerät allein erreichen würde; Dies führt zu einer Steigerung der Gesamteffizienz, wenn die beiden Geräte in einer Tandemanordnung zusammenarbeiten.

Um diesen Rekord zu erreichen, optimierten die Forscher des HZB und der Humboldt-Universität systematisch mehrere Aspekte der Gerätearchitektur. Sie untersuchten CIGS--basierte Bodenzellen mit sorgfältig abgestimmten Bandlücken von 1,05 eV und 1,1 eV sowie zwei unterschiedlich dicke Aluminium-dotierte Zinkoxidschichten. Diese sorgfältige Bandlückentechnik ermöglichte es ihnen, die aktuelle Generation zwischen der oberen und unteren Unterzelle besser anzupassen-ein entscheidender Faktor für die Leistung von Tandemgeräten.

Das Team führte außerdem ein umfassendes Screening von Lochtransportschichtmaterialien durch und testete verschiedene Kombinationen von Nickeloxid (NiOx) und selbstorganisierten Monoschichten (SAMs). Diese Grenzflächenschichten spielen eine entscheidende Rolle bei der Extraktion fotogenerierter Ladungsträger und unterdrücken gleichzeitig Rekombinationsverluste-einen primären Effizienz-begrenzenden Mechanismus in Solarzellen. Durch die Identifizierung optimaler Schnittstellenkonfigurationen konnten die Forscher gleichzeitig die Ladungsselektivität verbessern und Energieverluste an den Kontakten minimieren.

Am bemerkenswertesten ist vielleicht, dass das Team die elektronenselektive Kontaktbildung verfeinerte, indem es die anfängliche thermische Verdampfungsrate von Buckminsterfulleren (C60), das auf einer ultradünnen 1-nm-Passivierungsschicht aus Lithiumfluorid (LiF) abgeschieden wurde, präzise steuerte. Dieser ausgefeilte Ansatz ermöglichte, wie sie es nannten, eine „kontrolliertere Grenzflächenbildung und verbesserte elektronische Ausrichtung“ und zeigte, dass die nanoskalige Konstruktion von Kontaktschichten zu erheblichen Leistungssteigerungen führen kann.

Während die Rekordeffizienz auf einem Gerät mit kleiner{0}}Fläche von 1,081 cm² erreicht wurde, zeigten die Forscher, dass ihre Optimierungen auf größere Formate übertragen werden konnten. Mit einem ähnlichen Materialstapel stellten sie ein Minimodul mit einer Fläche von 2,25 cm² her, das einen Wirkungsgrad von etwa 19,7 % erreichte. Obwohl dies einen erheblichen Rückgang gegenüber der Effizienz kleiner Zellen darstellt, liefert es ermutigende Beweise dafür, dass die zugrunde liegenden Schnittstellen- und Kontaktstrategien über die Laborumgebung hinaus skaliert werden können.

Der vielleicht aufregendste Aspekt dieser Ankündigung ist, was sie über zukünftiges Potenzial andeutet. HZB-Forscher Guillermo Farias Basulto stellte fest, dass „die Physik, die unserer aktuellen Zellarchitektur zugrunde liegt, darauf hindeutet, dass 25,5 % nur ein erster Meilenstein ist“. Interne Tests ähnlicher Designs haben bereits Wirkungsgrade von bis zu 27,5 % erzielt, was bedeutet, dass das grundlegende Gerätekonzept noch über beträchtliches ungenutztes Potenzial verfügt.

Die Forschung wurde im Rahmen des „SOLMATES“-Projekts durchgeführt, einer von der EU-geförderten Initiative des HZB zur Erforschung der Integration von CIGS- und Perowskit-Technologien. Der bisherige Rekord des HZB im Rahmen dieses Programms lag bei 24,6 %, was den Sprung auf 25,5 % zu einem bedeutenden, wenn auch schrittweisen Fortschritt macht.

Dieser Erfolg ist für die Solarzellenindustrie von großer Bedeutung. Eine CIGS-Dünnschichtzelle bietet gegenüber herkömmlichen Dünnschichtsolarzellen mehrere Vorteile, z. B. Flexibilität, gute Leistung bei teilweise beleuchteten Bedingungen und niedrige Herstellungskosten. Durch die Kombination der Vorteile von CIGS-Zellen mit den Vorteilen von Perowskit-Zellen haben CIGS-Zellen das Potenzial, für neue Anwendungen in der flexiblen Elektronik und BIPV eingesetzt zu werden, wo Siliziumzellen nicht eingesetzt werden können.

Die Studienergebnisse deuten auch darauf hin, dass Perowskit-CIGS-Tandems mit Silizium-basierten Tandemsystemen konkurrenzfähig sind. Sie können nicht nur aus einer dünnen Folie hergestellt werden, sondern auch aus weniger als einem Mikrometer Material. Ihr ultra-leichtes und flexibles Design bietet neue Möglichkeiten für den Einsatz als gebäudeintegrierte Lösungen oder tragbare elektronische Anwendungen.

Während 25,5 % eine bemerkenswerte Leistung sind, liegt die theoretische Effizienzgrenze für Perowskit-CIGS-Tandems bei über 30 %. Die Lücke zwischen dem aktuellen Rekord und dieser theoretischen Obergrenze lässt darauf schließen, dass durch kontinuierliche Optimierung der Materialqualität, der Schnittstellentechnik und des optischen Managements weiterhin erhebliche Verbesserungen möglich sind. Der systematische Ansatz des deutschen Teams -die Erforschung mehrerer Bandlücken, Transportschichtkombinationen und Kontakttechnikstrategien-bietet einen methodischen Entwurf für zukünftige Bemühungen.

Da die globale Solarindustrie weiterhin rasant wächst, werden Innovationen in der Tandemzellentechnologie eine immer wichtigere Rolle bei der Senkung der Kosten für Solarstrom spielen. Dass die deutschen Forscher einen Wirkungsgrad von 25,5 % für Perowskit-CIGS-Tandems erreichten, stellt nicht nur einen neuen Weltrekord dar, sondern ist auch eine Demonstration des außergewöhnlichen Potenzials, das in der Schnittstelle dieser beiden bemerkenswerten Materialsysteme steckt. Da interne Ergebnisse bereits darauf hindeuten, dass 27,5 % in greifbare Nähe rücken und die theoretische Grenze immer noch weit darüber liegt, ist der Weg zu einer wirklich transformativen Solareffizienz noch lange nicht zu Ende.