Die Solarenergie spielt eine entscheidende Rolle in der globalen Energiewende, da sie eine nachhaltige und erneuerbare Energiequelle darstellt. In den letzten Jahren hat sich das Interesse an Tandem-Solarzellen, die aus Perowskit und Silizium bestehen, verstärkt. Diese innovativen Zellen sind in der Lage, höhere Effizienzwerte zu erreichen als herkömmliche Siliziumsolarzellen. Dennoch ist die großflächige und kosteneffiziente industrielle Produktion dieser Zellen bislang eine große Herausforderung.
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Valencia haben nun ein vielversprechendes Verfahren entwickelt, das die Herstellung von Perowskit-Schichten auf strukturierten Siliziumoberflächen erheblich vereinfacht. Diese neue Methode, die auf einem schnellen, lösungsmittelfreien Vakuumprozess basiert, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Technologie dar. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.
Tandem-Solarzellen kombinieren zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien, um verschiedene Wellenlängen des Sonnenlichts effizienter zu nutzen. Die oberste Schicht aus Perowskit absorbiert vor allem energiereiche, kurzwellige Lichtanteile, während die darunterliegende Siliziumschicht die längerwelligen Anteile verarbeitet. Diese Kombination ermöglicht es, mehr Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln als bei rein siliziumbasierten Zellen.
Ein zentrales Problem bei der industriellen Umsetzung ist die gleichmäßige und rasche Beschichtung der dünnen Perowskit-Schicht. Professor Ulrich Paetzold vom KIT betont, dass für die Herstellung nicht nur die Effizienz entscheidend ist, sondern auch die Geschwindigkeit, Robustheit und Skalierbarkeit des Verfahrens. Das neu entwickelte Vakuumverfahren hat sich als besonders effektiv erwiesen und ermöglicht die Herstellung von gleichmäßigen Perowskit-Schichten, die sich in der Praxis als effizient erwiesen haben.
Das Verfahren, bekannt als Close-Space-Sublimation (CSS), funktioniert, indem die Ausgangsstoffe in einem Vakuum verdampfen und direkt auf eine nahgelegene Siliziumzelle treffen. Dieser Prozess hat den Vorteil, dass der Materialverbrauch pro Beschichtung minimiert und die Quellen wiederverwendet werden können. Co-Autorin Sofia Chozas-Barrientos von der Universität Valencia erläutert, dass die organischen Ausgangsmaterialien ohne den Einsatz von Lösungsmitteln in kurzer Zeit auf das Silizium aufgebracht werden konnten. Im Experiment wurde die Umwandlung in lediglich zehn Minuten abgeschlossen, was einen bemerkenswerten Fortschritt in der Vakuumtechnologie darstellt.
Zusätzlich zur gleichmäßigen Beschichtung muss die Perowskit-Schicht auch die richtige Bandlücke besitzen, um die passenden Lichtanteile zu absorbieren. Die Forschenden haben eine organische Vorläuferschicht aus Methylammoniumiodid und Methylammoniumbromid entwickelt, um den Bromanteil im Material zu steuern und somit die Bandlücke auf 1,64 Elektronenvolt einzustellen, was die Effizienz der Zellen weiter steigert.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Anwendung des CSS-Verfahrens auf unterschiedlichen Siliziumoberflächen, einschließlich strukturierten Oberflächen, die die Lichtabsorption durch Verlängerung des Lichtweges erhöhen können. Die Wissenschaftler haben den CSS-Prozess erfolgreich auf glatten sowie nano- und mikrostrukturierten Siliziumunterzellen getestet und dabei durchweg gleichmäßige Perowskit-Schichten erhalten, ohne Anpassungen der Prozessparameter vornehmen zu müssen. Die erzielten Wirkungsgrade der Tandemsolarzellen lagen zwischen 23,5 und 24,3 Prozent, je nach Struktur der Siliziumunterzelle.
Diese Ergebnisse sind vielversprechend für die industrielle Anwendung, da ein Verfahren, das nur auf perfekten Oberflächen funktioniert, in der Praxis kaum umsetzbar wäre. Professor Henk Bolink hebt hervor, dass die Fähigkeit des CSS-Verfahrens, auch auf strukturierten Siliziumzellen gleichmäßige Schichten zu erzeugen, für die industrielle Produktion von großer Bedeutung ist.
Diese Forschungsergebnisse sind das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen den Forschungsgruppen am KIT und an der Universität Valencia sowie Partnern aus Argentinien und Frankreich. Mit diesen Fortschritten in der Herstellung von Perowskit-Photovoltaik steht einer breiteren Nutzung dieser Technologie in der Solarenergiebranche nichts mehr im Wege.
