Faszination Technik Wie Solarzellen effizienter und zugleich flexibel formbar werden

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Perowskit-Solarzellen, die in Kombination mit Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) flexible und leichte Tandem-Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad ermöglichen.

Der Wirkungsgrad von Solarzellen gibt an, wie viel einfallendes Licht in Strom umgewandelt wird. Er lässt sich durch das Stapeln von zwei oder mehr Solarzellen erhöhen, wenn dabei jede Solarzelle einen anderen Teil des Sonnenlichtspektrums absorbiert. Wie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mitteilt, eignen sich Solarzellen aus Perowskiten dank ihrer Vielseitigkeit besonders als Bestandteil solcher Tandems.

Solarzellen aus Perowskiten

Laut KIT handelt es sich bei Perowskiten um innovative Materialien mit einer speziellen Kristallstruktur. Vom Wirkungsgrad her lassen sie sich bereits mit den seit langem etablierten Silizium-Solarzellen vergleichen. Zusätzliche Vorteile soll die Kombination von Perowskiten mit anderen Materialien, wie Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) bringen. Dadurch würden flexible und leichte Tandem-Solarzellen möglich, die sich nicht nur an Gebäuden, sondern auch an Fahrzeugen und tragbaren Geräten anbringen lassen. Solche Solarzellen könnten sogar zur Aufbewahrung gefaltet oder gerollt und bei Bedarf ausgefahren werden, beispielsweise auf Jalousien oder Markisen, heißt es.

Flexible Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen

Forschende arbeiten weltweit daran, die Perowskit-Photovoltaik reif für die praktische Anwendung zu machen. Nun ist es einem internationalen Team unter Leitung von Dr. Marco A. Ruiz-Preciado und Tenure-Track-Professor Ulrich W. Paetzold vom Lichttechnischen Institut (LTI) und Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT gelungen, Perowskit/CIS-Tandem-Solarzellen mit einem Spitzenwirkungsgrad von 24,9 Prozent (23,5 Prozent zertifiziert) herzustellen. „Dies ist der höchste gemeldete Wirkungsgrad für diese Technologie und der erste hohe Wirkungsgrad überhaupt, der mit einer fast galliumfreien Kupfer-Indium-Diselenid-Solarzelle in einem Tandem erreicht wurde“, erklärt Ruiz-Preciado. Die Verringerung der Galliummenge führt zu einer schmalen Bandlücke von etwa einem Elektronenvolt eV, was dem Idealwert von 0,96 eV für die untere Solarzelle in einem Tandem sehr nahekommt.

Bandlücke bestimmt absorbierbaren Teil des Sonnenspektrums

Nach Angaben des KIT handelt es sich bei der Bandlücke um eine Materialeigenschaft, die denjenigen Teil des Sonnenspektrums bestimmt, den eine Solarzelle absorbieren kann, um Strom zu erzeugen. In einer monolithischen Tandem-Solarzelle müssen die Bandlücken so beschaffen sein, dass die beiden Zellen ähnliche Ströme erzeugen können, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Ändert sich die Bandlücke der unteren Zelle, muss die Bandlücke der oberen Zelle daran angepasst werden; umgekehrt ebenso.

Um die Bandlücke für eine effiziente Tandem-Integration einzustellen, werden üblicherweise Perowskite mit hohem Bromgehalt verwendet. Dies führt jedoch häufig zu Spannungsverlusten und Phaseninstabilität. Da die Forschenden am KIT und ihre Partner für ihre Tandems unten CIS-Solarzellen mit schmaler Bandlücke einsetzen, können sie die oberen Solarzellen aus Perowskiten mit niedrigem Bromgehalt herstellen, sodass sie effizienter und stabiler sind.

Die Forschenden haben ihre Arbeit in der Zeitschrift ACS Energy Letters vorgestellt.

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