Wissenschaftler der M.M.M. University of Technology im indischen Gorakhpur haben eine Tandem-Solarzelle entwickelt, die aus einer oberen Zelle aus Kupfer, Indium, Gallium und Diselenid (CIGS) und einer unteren Zelle mit einem Absorber aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT) besteht.
„Soweit wir wissen, ist dies der erste Versuch, Tandem-Solarzellen auf der Basis von CIGS und SWCNT zu bauen“, sagte der korrespondierende Autor der Studie, Alok Patel, gegenüber pv magazine. „In der oberen Zelle haben wir ein ultradünnes WSeTe, eine Verbindung aus der Gruppe der Übergangsmetall-Dichalcogenide, als Pufferschicht verwendet, um den Absorptionsverlust zu verringern. In der unteren Zelle haben wir eine Pufferschicht aus Zirkoniumdisulfid (ZrS2) verwendet, das ebenfalls zur Gruppe der Übergangsmetall-Dichalcogenide gehört.“
SWCNTs wurden bisher in der Solarforschung als Alternative zu herkömmlichen Metallgitterkontakten oder Lochtransportschichten (HTLs) eingesetzt, da sie optoelektronische Eigenschaften, Flexibilität, chemische Stabilität und einfache Übertragungsprotokolle zur Abdeckung großer Oberflächenbereiche vereinen sollen.
Numerische Optimierung des neuen Designs
In der Studie „Design and performance investigation of CIGS/SWCNT tandem solar cell for efficiency improvement“, die in der Fachzeitschrift Optics Communication veröffentlicht wurde, erklärt die Forschergruppe, dass sie die Solarzelle mit Hilfe der von der Universität Gent entwickelten SCAPS-1D Solarzellen-Kapazitätssoftware numerisch optimiert hat, um das neuartige Dünnschichtzellen-Design zu simulieren.
Die Wissenschaftler haben die obere Zelle mit einem CIGS als Absorber gestaltet, einer Elektronentransportschicht (ETL) auf der Basis von WSeTe, einem Aluminiumkontakt und einer Fensterschicht aus Zinkoxid (i-ZnO). Für die untere Zelle ist vorgesehen, den SWCNT-Absorber, die ZrS2-Pufferschicht und eine Fensterschicht aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) zu verwenden. Die untere Zelle hat eine Bandlücke von 1,24 Elektronenvolt (eV) und die obere von 1,18 Elektronenvolt. Das gewährleistet den Wissenschaftlern zufolge, dass die untere Zelle die höheren Wellenlängen absorbiert, die von der oberen Zelle übertragen werden.
Die CGIS-Zelle mit einem 2.000 Nanometer dicken Absorber erreichte eine maximale Energieumwandlungseffizienz von 23,69 Prozent, eine Leerlaufspannung von 0,7437 Volt, eine Kurzschlussstromdichte von 40,25 Milliampere/Quadratzentimeter und einen Füllfaktor von 79,15 Prozent. Das SWCNT-Bauelement mit einem 2.000 Nanometer dicken Absorber erreichte eine maximale Energieumwandlungseffizienz von 17,10 Prozent, eine Leerlaufspannung von 0,5653 Volt, eine Kurzschlussstromdichte von 40,36 Milliampere/Quadratzentimeter und einen Füllfaktor von 74,96 Prozent.
Für die Tandemzelle verwendeten die Wissenschaftler eine Version der CIGS-Zelle mit einem Wirkungsgrad von 22,82 Prozent und eine Probe des SWCNT-Bauelements mit einem Wirkungsgrad von 16,05 Prozent, wobei der kombinierte Wirkungsgrad 38,91 Prozent erreichte. „Diese Forschungsarbeit kann bei der Herstellung von effizienten Tandem-Photovoltaik-Zellen auf der Grundlage von CIGS- und SWCNT-Materialien helfen“, so die Forscher.
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Ok und jetzt nochmal für alle zum Mitschreiben: was ist das Problem mit SWCNT? Genau: aktuell nicht für die Massenproduktion geeignet.