Die Solarenergie hat sich als zentrale Säule der globalen Energiewende etabliert, wobei neue Technologien ständig entwickelt werden, um die Effizienz und Skalierbarkeit von Solaranlagen zu steigern. Ein aktueller Fortschritt in diesem Bereich kommt von einer Kooperation zwischen dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Valencia. Hier wurde ein innovatives, lösungsmittelfreies Vakuumverfahren zur Herstellung von Perowskit-Schichten entwickelt, das erhebliche Vorteile für die industrielle Produktion von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen bietet. Das Verfahren ermöglicht eine gleichmäßige Beschichtung auf strukturierten Siliziumoberflächen, was zu höheren Wirkungsgraden führt. Diese Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht, wie KIT berichtet.
Die Tandemsolarzellen kombinieren zwei Halbleiter, um unterschiedliche Lichtbereiche effizient zu nutzen. Während Perowskit für kurzwelliges Licht optimiert ist, wird Silizium für die längeren Wellenlängen eingesetzt. Professor Ulrich Paetzold vom KIT hebt hervor, dass für die industrielle Anwendung vor allem Geschwindigkeit, Robustheit und Skalierbarkeit entscheidend sind. Das neue Verfahren basiert auf der Close-Space-Sublimation (CSS), die eine Verdampfung der Ausgangsstoffe und direktes Reagieren auf der Siliziumzelle ermöglicht. Der Materialverbrauch bleibt durch diesen Prozess gering, und die Wiederverwendbarkeit der verwendeten Quellen wird sichergestellt. Die Umwandlung der Materialien im Labor konnte innerhalb von nur zehn Minuten durchgeführt werden.
Wirkungsgrad und Effizienz
Die experimentellen Ergebnisse zeigen beeindruckende Fortschritte: Tandemsolarzellen erzielten Wirkungsgrade von 23,5% auf glatten, 23,7% auf nanostrukturierten und 24,3% auf mikrostrukturierten Oberflächen. Diese Effizienzzuwächse werden auch durch die texturierten Oberflächen der industriellen Silizium-Solarzellen begünstigt. Diese Mikropyramiden-Textur leitet mehr Licht in die Solarzellen und minimiert Reflexionsverluste, was zu höheren Energieerträgen führt. Die ISE betont, dass das Verfahren die Integration des neuen Zelltyps in bestehende Herstellungsprozesse erheblich erleichtert.
Dennoch stehen die Forschenden vor Herausforderungen, insbesondere bei der Anwendung auf der pyramidenförmigen Oberfläche, die typisch für die Silizium-Solarzellen ist. Dr. Juliane Borchert, Gruppenleiterin für Perowskitmaterialien und Grenzflächen am Fraunhofer ISE, erklärt, dass für die gleichmäßige Aufbringung der Perowskit-Schicht spezielle Methoden erforderlich sind. Der Forschungsansatz kombiniert einen hybriden Prozess aus Aufdampfen und nasschemischer Abscheidung.
Zukünftige Perspektiven
In der Forschung wurde zudem die Bandlücke des Materials untersucht, die entscheidenden Einfluss auf die Lichtaufnahme hat. Eine Erhöhung der Bandlücke, etwa durch den Einsatz von Brom, könnte zusätzliche Vorteile bieten. Die Forschenden testeten eine bromhaltige anorganische Vorläuferschicht, die jedoch nicht den gewünschten Anteil behielt. Mit einer gemischten organischen Quelle aus Methylammoniumiodid und Methylammoniumbromid wurde eine Lösung gefunden, die eine Bandlücke von 1,64 Elektronenvolt ermöglichte. Diese Fortschritte zeigen, wie vielversprechend und notwendig die Weiterentwicklung der Perowskit-Technologien für die zukünftige Solarenergiegewinnung ist.
Professor Henk Bolink, ein weiterer Mitwirkender, hebt die Relevanz des CSS-Verfahrens für industrielle Anwendungen hervor und unterstreicht dessen Potenzial, die Effizienz von Solarzellen weiter zu steigern, um die Ziele der globalen Energiewende zu unterstützen.