Tandem-Photovoltaik auf der Basis von Perowskiten

Das Aufkommen von Perowskit-Halbleitern bietet eine neuartige Möglichkeit, den Wirkungsgrad der marktbeherrschenden Photovoltaik-Technologien auf der Basis von c-Si und CIGS in sogenannten Tandem-Solarzellen zu verbessern. Darüber hinaus können Perowskit-Halbleiter mit geeigneter Bandlücke in Vollperowskit-Tandemzellen kombiniert werden. Die Weiterentwicklung dieser Technologien ist ein Schwerpunkt der Forschungstätigkeit unseres Teams [1] [2]. Der entscheidende Vorteil eines solchen Tandem-Photovoltaik-Solarmoduls liegt in der effizienten Ausnutzung des Sonnenspektrums [3] [4]. Das energiereiche Licht wird mit hohem Wirkungsgrad in der oberen Perowskit-Solarzelle geerntet, während das energiearme Licht in der unteren c-Si-, CIGS- oder Perowskit-Solarzelle geerntet wird [5] [6]. Gemeinsam mit unseren Forschungspartnern erforschen, entwickeln und prototypisieren wir hocheffiziente Mehrfachsolarzellen aus Perowskit/C-Si und photovoltaische Solarzellen aus Perowskit/CIGS.

Abbildung 1: Die Tandem-Photovoltaik auf Perowskit-Basis nutzt effizient das AM1,5G-Sonnenspektrum. Das energiereiche Licht wird in der oberen Perowskit-Solarzelle geerntet, das energiearme Licht in der unteren Solarzelle (z. B. c-Si, CIGS oder Perowskit).

Tandem-Solarzellen auf Perowskit-Basis mit unteren Solarzellen aus c-Si, CIS oder CIGS.

Unser Team verfolgt mehrere Wege, um das Potenzial der hocheffizienten Tandem-Photovoltaik auf Perowskit-Basis in Zusammenarbeit mit Industriepartnern zu maximieren. Bei der entkoppelten 4T-Architektur hat unsere umfangreiche Arbeit zur Minimierung der optischen Verluste in hochwertigen halbtransparenten Perowskiten, hochwertige Perowskit/CIGs-Tandemgeräte mit einer berechneten PCE von 27,3 % ermöglicht, wobei optische Simulationen weitere Verbesserungsmöglichkeiten aufzeigen [7] [8]. Bei monolithischen 2T-Tandems ermöglichte die Kombination von Computermodellierungstechniken mit Materialdesign die Schaffung von rekordverdächtigen monolithischen Perowskit/CIGs-Tandems mit 23,5 % zertifizierter PCE [9]. In der Zwischenzeit haben sich innovative Verarbeitungstechniken wie die Laminierung als vielversprechende Technik zur Entkopplung von Materialbeschränkungen erwiesen, wodurch qualitativ hochwertige und außergewöhnlich stabile monolithische Perowskit-/Silizium-Tandems mit Wirkungsgraden (PCEs) von bis zu 20 % entstehen [10]. Wir treiben unser Verständnis der Anforderungen und der Bildung von dicken Perowskiten auf texturierten Oberflächen durch Materialcharakterisierung und Computermodellierung weiter voran und erwarten, dass dies in Zukunft die Schaffung hochwertiger monolithischer Tandems auf texturiertem Silizium ermöglichen wird [11] [12] [13].

Abbildung 2: Querschnitts-SEM eines monolithischen Perowskit/CIS-Tandem-Bauelements zusammen mit einer Modellierung zur Bestimmung der optimalen Perowskit-Bandlücke. Schematische Darstellung des Laminierungsprozesses zur Herstellung von monolithischen Perowskit-/Silizium-Tandem-Bauelementen und Nachweis der hervorragenden Stabilität. Optisch optimierte Bauelemente-Architekturen mit Perowskit/CIGS-Tandem-Bauelementen und Aufschlüsselung der simulierten Verbesserungen.

All-Perowskit-Tandem-Solarzellen.

All-Perowskit-Tandemsolarzellen, die Perowskit-Halbleiter mit breiter Bandlücke (auf Pb-Basis) und schmaler Bandlücke (Sn-Pb-Mischung) kombinieren, können den theoretischen Wirkungsgrad von single-junction Solarzellen überwinden. Während die Forschung an Perowskit-Solarzellen mit breiter Bandlücke in den letzten Jahren Fortschritte bei Stabilität und Leistung gezeigt hat, hinken die Kandidaten mit niedriger Bandlücke hinterher. In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten wir neuartige lösungsgefertigte Fullerenderivate als Zwischenschicht in Perowskit-Solarzellen mit geringer Bandlücke und erreichten einen Wirkungsgrad von 24,8 % in 4-Terminal-Perowskit-Tandemsolarzellen [14]. Wir modifizierten die 2-Terminal Gerätearchitektur zur Minimierung optischer und elektrischer Verluste und erzielten einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 23,5% [15].