Herkömmliche Silizium-Solarzellen, wie sie auf Hausdächern liegen, schaffen es, etwa 20 bis 22 Prozent des Lichts in Strom umzuwandeln. Der Rest geht als Wärme oder ungenutztes Licht verloren. Ein Team aus Wissenschaftlern hat nun sogenannte Perowskit-Perowskit-Silizium-Dreifachzellen so weiterentwickelt, dass diese bis zu 27 Prozent Energie umwandeln können – und damit 35 Prozent effizienter sind. Die Ergebnisse der Studie wurden bei „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht.
Effizientere Solarzelle mit drei Schichten
Die Wissenschaftler stapelten verschiedene Materialien übereinander. Jede Schicht fängt einen anderen Teil des Sonnenlichts ein:
- Obere Perowskitzelle: Fängt die kurzen Wellenlängen ein (blaues Licht).
- Mittlere Perowskitzelle: Fängt die mittleren Wellenlängen ein (grün-gelb).
- Untere Siliziumzelle: Absorbiert langes Licht (rot und infrarot).
Perowskit ist ein künstlich hergestelltes Kristallmaterial, das langfristig günstigere Kosten für Solarmodule ermöglichen könnte. Laut einer Analyse der Kosteneffizienz liegen die aktuellen Herstellungskosten von Perowskit-Solarzellen bei etwa 50 Cent pro Watt. Damit sind sie etwas teurer als herkömmliche Siliziumzellen, die zwischen 20 und 70 Cent pro Watt kosten. Auf lange Sicht könnte Perowskit jedoch besser abschneiden, da es bei einer Lebensdauer von rund 25 Jahren besonders effizient ist. Panasonic nutzt das Material etwa für innovative Solarmodule, die Fenster und Wände ersetzen können.
Bereits 2018 wurde eine Perowskit-Perowskit-Silizium-Dreifachzelle vorgestellt. Diese besaß jedoch lediglich einen Wirkungsgrad von 14,0 Prozent.
Perowskit und Silizium optimal verbunden
Was die neuartige Solarzelle so besonders machen soll, ist das Zusammenspiel der verschiedenen Schichten.
- Frühere Zellen nutzten oft Lithiumfluorid an der Oberfläche der oberen Perowskit-Schicht. Dieses ist jedoch instabil und lässt die Zelle schnell altern. Stattdessen verwendeten die Wissenschaftler Piperazin-1,4-diiumchlorid – eine chemische Verbindung, die Defekte „repariert“ und den Stromfluss verbessert. Das Ergebnis: Höhere Spannung und eine bessere Ausbeute.
- Zusätzlich optimierten die Forscher die Verbindung zwischen den Perowskit-Schichten. Hier kommen Gold-Nanopartikel ins Spiel, die auf einer hauchdünnen Zinnoxid-Schicht abgelagert werden. Diese Partikel sorgen für einen guten elektrischen Kontakt, ohne zu viel Licht zu schlucken.
- Außerdem integrierten sie Rubidium in die Perowskit-Masse, um Methylammonium zu vermeiden – ein weiteres instabiles Element, das Zellen empfindlich für Hitze und Feuchtigkeit macht.
Die neuen Zellen wurden getestet und von unabhängigen Instituten zertifiziert. Eine kleine Zelle von einem Quadratzentimeter Größe erreichte eine Effizienz von rund 27 Prozent – ein Rekord für diese Art von Dreifachsystemen. Sogar bei einer Skalierung auf 16 Quadratzentimeter (etwa die Größe einer Handfläche) lag die stabile Effizienz bei rund 23 Prozent.
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