Tandemsolarzellen Neuartige Solarzellen holen mehr Strom aus Sonnenlicht

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Eine Beschichtung von Solarzellen mit speziellen organischen Molekülen könnte einer neuen Generation von Solarmodulen den Weg ebnen, wie die Gesellschaft Deutscher Chemiker meldet.

In Solarzellen „schlägt“ Licht bekanntlich Elektronen aus einem Halbleitermaterial heraus und hinterlässt positiv geladene „Löcher“. Diese Ladungsträger werden voneinander getrennt und können als Strom abgeführt werden, wie die Forscher in Erinnerung rufen. Um das Spektrum des Sonnenlichts besser auszunutzen und so den Wirkungsgrad zu erhöhen, wurden Tandemzellen entwickelt, die eben aus zwei unterschiedlichen Halbleitern bestehen, die Licht verschiedener Wellenlängenbereiche absorbieren. In Frage kommen vor allem Kombinationen aus Silizium, das vor allem rotes und nah-infrarotes Licht aufnimmt und Perowskit (Calcium-Titan-Oxid), das sichtbares Licht sehr effektiv nutzen kann. Wie ein Forschungsteam in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, kann eine organische Beschichtung den Wirkungsgrad monolithischer Tandemzellen aus Silizium und Perowskit erhöhen und die Kosten senken, weil diese nun auf Basis industrieller mikrostrukturierter Standardsiliziumwafern produziert werden könnten.

Günstige Alternative – aber mit vermindertem Wirkungsgrad

Monolithische Tandemzellen entstehen, indem ein Träger nacheinander mit den zwei Halbleitertypen beschichtet wird. Im Fall von Perowskit/Silizium löst man die Aufgabe auf Basis von Silizium-Wafern, die im Zonenschmelz-Verfahren hergestellt wurden und eine polierte oder nanostrukturierte Oberfläche haben, doch die sind teuer. Deutlich günstiger seien nach dem Czochralski-Verfahren (Tiegelziehen) hergestellte Siliziumwafer mit pyramidalen Strukturelementen im Mikrometermaßstab. Diese Mikrotexturen fangen das Licht besser ein, weil sie weniger reflektieren als eine glatte Oberfläche. Bei der Beschichtung mit Perowskit entstehenden jedoch Kristallgitter mit sehr vielen Defekten, die die elektronischen Eigenschaften verschlechtern. Zum einen wird die Weitergabe der freigesetzten Elektronen beeinträchtigt, zum anderen verlaufen Elektron-Loch-Rekombinationen vermehrt über strahlungslose Vorgänge ab. Wirkungsgrad und Stabilität der Perowskit-Schicht nehmen deshalb ab. Doch die Chinesen haben da eine Idee ...

Beschichtung pusht Wirkungsgrad auf über 30 Prozent

Ein Team von der Universität Nanchang, Suzhou Maxwell Technologies, dem CNPC Tubular Goods Research Institute (Shaanxi), der Polytechnischen Universität Hong Kong, der Technischen Universität Wuhan sowie der Fudan-Universität (Shanghai) hat jetzt nämlich eine Strategie zur Oberflächenpassivierung entwickelt, mit der sich die Oberflächendefekte der Perowskit-Schicht ausgleichen lassen. Eine Thiophenethylammonium-Verbindung mit einer Trifluormethylgruppe (CF3-TEA) wird dabei per dynamischer Sprühbeschichtung aufgetragen. Mit diesem Prozess erreichen sie eine sehr einheitliche Abdeckung, was auch auf mikrostrukturierten Oberflächen klappe. Aufgrund der hohen Polarität und Bindungsenergie schwächt die CF3-TEA-Beschichtung die Wirkung der Oberflächendefekte sehr effektiv ab, wie man herausgefunden hat. Strahlungslose Rekombinationen werden unterdrückt und die elektronischen Niveaus werden so korrigiert, dass die Elektronen an der Grenzfläche effektiver an die elektroneneinfangende Schicht der Solarzelle abgegeben werden können.

So sorgt die Oberflächenmodifikation dafür, dass Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen auf Basis gängiger und günstigerer, texturierter Wafer aus Czochralski-Silizium Wirkungsgrade von fast 31 Prozent erreichen und lange Zeit stabil arbeiten.

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