Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben eine Dreifachsolarzelle mit einer Perowskit-Perowskit-Silizium-Subzellkonfiguration entwickelt. Die Zelle erreichte eine Leerlaufspannung von über 2,8 Volt – bei konventionellen Zellen liegt der Wert zwischen 0,7 und 0,8 Volt. „Das ist ein Rekordwert für diese Art von Solarzellen und zeigt, dass die Photovoltaik, die Perowskit und Silizium kombiniert, ein enormes ungenutztes Potenzial bietet“, so die Hauptautorin der Studie, Juliane Borchert.
In dem in ACS Publications veröffentlichten Artikel „Monolithic Two-Terminal Perovskite/Perovskite/Silicon Triple-Junction Solar Cells with Open Circuit Voltage >2.8 V“ wird erläutert, dass der Perowskit-Absorber der Zelle aus Perowskit-Materialien mit einer Energiebandlücke zwischen 1,56 und 1,83 Volt hergestellt wurde. „Wir weisen darauf hin, dass die in dieser Arbeit kombinierten Bandlücken nicht die endgültigen optimalen Bandlücken für eine Dreifachsolarzelle sind“, so die Autoren. „Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt jedoch auf der Prozessoptimierung und der Integration der Unterzellen in Dreifachslarzellen, und die Ergebnisse sind auch auf andere Perowskit-Zusammensetzungen anwendbar.“
Die drei Unterzellen wurden mit drei verschiedenen Architekturen entworfen. Die untere Zelle wurde mit einem Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Substrat, einer Lochtransportschicht (HTL) aus Poly-Triarylamin (PTAA), einer Grenzflächenschicht aus dem PFN-Polymer, einem Perowskit-Absorber, einer Elektronentransportschicht (ETL) auf der Basis von Buckminsterfulleren (C60) und einer Zinn(IV)-Oxid (SnO2)-Schicht sowie einem Gold-Metallkontakt hergestellt.
Die zweite Zelle verwendet eine HTL aus PTAA, eine PFN-Zwischenschicht, einen Perowskit-Absorber, eine C60-ETL, eine SnO2-Schicht, eine ITO-Schicht, einen Silber-Metallkontakt und eine Antireflexionsschicht auf der Basis von Magnesiumfluorid.
Die obere Zelle besteht aus einem ITO-Substrat, einer Carbazol (2PACz)-Schicht, einem Perowskit-Absorber, einem C60-ETL, einer SnO2-Schicht, einer ITO-Schicht, einem Silber-Metallkontakt und einer Antireflexionsschicht auf der Basis von Magnesiumfluorid.
Unter Standardbeleuchtungsbedingungen getestet, erreichte die Dreifachzelle einen Wirkungsgrad von 20,0 Prozent PCE, eine Leerlaufspannung von über 2,8 Volt, eine Kurzschlussstromdichte von 8,9 Milliampere pro Quadratzentimeter und einen Füllfaktor von rund 78 Prozent.
„Eine hohe Spannung deutet darauf hin, dass die grundlegenden physikalischen Eigenschaften der Solarzelle angemessen sind und dass die grundlegenden Aspekte, die für eine sehr effiziente Solarzelle erforderlich sind, vorhanden sind“, so die Forscher. „Während wir in unserem Projekt Pero-Si-Scale gerade dabei sind, die Entwicklung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen zu skalieren und für den Einsatz in der Industrie vorzubereiten, ist es auch fantastisch zu sehen, wie viel Potenzial Triple-Junction-Solarzellen für die Weiterentwicklung des Konzepts in der Zukunft haben“, so Stefan Glunz, Abteilungsleiter für Photovoltaik am Fraunhofer ISE.
„Weitere Optimierungen sind notwendig, um sie auf das Niveau von Perowskit/Silizium-Zweifach-Solarzellen zu bringen und diese schließlich zu übertreffen“, heißt es in dem Papier. „Darüber hinaus muss die Langzeitstabilität dieser Solarzellen unter Standardtestbedingungen und erhöhten Temperaturen in zukünftigen Arbeiten untersucht werden.“
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