Standard-Silizium-Solarzellen erstmals mit Perowskit zu Tandem kombiniert

Die Massenfertigung von Siliziumsolarzellen nutzt sogenannte PERC-Zellen, sie gelten als „Arbeitspferde“ der Photovoltaik. Nun haben zwei Teams vom ISFH und dem Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) gezeigt, dass solche industrietypischen Siliziumzellen als Basis für Tandemzellen mit Perowskittopzellen geeignet sind. Aktuell liegt der Wirkungsgrad der Tandemzelle zwar noch unterhalb von dem optimierter PERC-Zellen allein, könnte aber durch gezielte Optimierungen rasch auf bis zu 29,5 % gesteigert werden. Die Forschung wurde im Rahmen eines Verbundprojekts durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.

Tandemzellen aus Silizium und Perowskit sind in der Lage, das breite Energiespektrum des Sonnenlichts effizienter in elektrische Energie umzuwandeln als die jeweiligen Einzel-Zellen. Nun ist es zwei Teams vom ISFH und dem HZB erstmals gelungen, eine Perowskittopzelle mit einer sogenannten PERC/POLO-Silizium-Zelle zu einem Tandem-Bauelement zu kombinieren. Das Besondere: PERC-Siliziumzellen auf p-Typ Silizium sind das „Arbeitspferd“ der Photovoltaik, mit einem Marktanteil von mehr als  50 %  aller weltweit produzierten Solarzellen. Sie sind weitgehend optimiert, temperatur- und langzeitstabil. Deshalb ist es für die Kommerzialisierung einer Perowskit-Silizium-Tandemtechnologie besonders interessant, ein „Perowskit-Tandem-Upgrade“ für PERC-Zellen zu entwickeln. Die Kooperation fand im Rahmen des Verbundprojekts P3T statt, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz finanziert wird.

Das Team am ISFH hat für den Rückseitenkontakt der Siliziumbottomzellen einen industriekompatiblen PERC-Prozess genutzt. Auf der Vorderseite des Wafers kam mit dem sogenannten POLO-Kontakt eine ebenfalls industrialisierbare Technologie zum Einsatz, die auch in der Weltrekord-Siliziumzelle des ISFH eingesetzt wird. „Wir haben die POLO-Technologie für die kleinflächigen proof of concept-Zellen in dieser Studie angepasst. Alle Prozessschritte sind aber leicht auf industrietypische Zellflächen skalierbar“, sagt Tobias Wietler, der ISFH-Projektleiter.

Die weiteren Prozessschritte fanden am HZB statt: Eine Rekombinationsschicht aus zinndotiertem Indiumoxid wurde als Kontakt zwischen den beiden Teilzellen aufgebracht. Darauf wurde eine Perowskitzelle mit einer Schichtfolge prozessiert, die der in der aktuellen HZB-Weltrekord-Tandemzelle auf n-Typ Silizium-Heterojunction-Solarzellen ähnelt. Die ersten so produzierten Perowskit-PERC/POLO-Tandemzellen erreichen auf einer aktiven Zellfläche von ca. 1 cm² einen Wirkungsgrad von 21,3 %. Dieser Wirkungsgrad liegt in dieser Machbarkeitsstudie also noch unterhalb des Wirkungsgrads von optimierten PERC-Zellen. „Erste experimentelle Ergebnisse und optische Simulationen deuten aber darauf hin, dass wir die Leistung durch Prozess- und Schichtoptimierung erheblich verbessern können“, erklärt Dr. Lars Korte, der korrespondierende Autor der Studie.

Potenzieller Wirkungsgrad: 29,5 %

Die Expert*innen schätzen das Potenzial für den Wirkungsgrad dieser Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen mit PERC-ähnlicher Bottomzellentechnologie auf 29,5 %. Erste Schritte zur weiteren Steigerung sind bereits im Blick: In ihrer Studie hatten die Forschenden Verbesserungspotential bei der Bedeckung der Siliziumoberfläche durch den Perowskiten identifiziert. Man könnte die Oberfläche der Siliziumwafer anpassen und so rasch die Effizienz auf ca. 25% steigern. Das liegt dann bereits deutlich über der Effizienz von PERC-Einzelsolarzellen.