Meilenstein in der Tandem-Photovoltaik: 30,1 % Effizienz durch 3-Terminal-Architektur und ISFH POLO®-Technologie

ISFH entwickelt 3T-fähige POLO²-IBC-Silizium-Bottomzelle für höhere Bandlücken-Flexibilität und Energieerträge

Perowskit-Silizium-Tandemzellen stellen in der Entwicklung hocheffizienter Solarzellen den nächsten logischen Schritt von Siliziumzellen dar. In einer klassischen Solarzelle, einer 2-Terminal-Zelle, sind die Teilzellen seriell verschaltet, so dass beide Teilzellen den gleichen Strom führen müssen. Das bedeutet, dass die Zelle mit dem geringsten Strom das gesamte System begrenzt. Für eine optimale Performance müssen die Ströme deshalb angepasst werden („Current Matching“), was über die Wahl einer Perowskit-Materialienzusammensetzung mit weiter Bandlücke erreicht werden kann. Diese Materialien neigen jedoch unter Lichteinstrahlung und Wärme zu Instabilitäten (Phasensegregation). Zudem führen Änderungen im Sonnenlicht (morgens/abends oder Sommer/Winter) dazu, dass das Stromgleichgewicht gestört wird und die Effizienz sinkt. Zusammen mit dem KIT und der LUH stellen wir dazu eine vielversprechende Lösung vor: die 3-Terminal (3T) Tandemkonfiguration. Wir entwickelten hierfür eine POLO²-IBC-Silizium-Bottomzelle mit optimierten Rekombinationseigenschaften. Die 3T-Architektur hebt die Plicht zur Stromanpassung klassischer 2T-Tandems auf, erlaubt flexible Perowskit-Bandlücken von 1,52–1,73 eV und erhöht den jährlichen Energieertrag, insbesondere in sonnenreichen Regionen.

Die 3T-Architektur mit ISFH-Expertise

Im Rahmen des Projekts 27+6 entwickelte das ISFH eine innovative POLO²-IBC-Silizium-Bottomzelle, die speziell für die Integration in 3T-Tandemarchitekturen entworfen wurde. Die Zelle besitzt eine texturierte nPOLO-Vorderseite, eine ITO-Rekombinationsschicht und optimierte Rückkontakte aus nPOLO und pPOLO. Die Rekombinationsstromdichten aller POLO-Kontakte wurden auf ungefähr 1 bis 2 fA/cm² verringert. Die Bottomzellen erreichten damit ein Lebensdauerniveau, das dem von 26 Prozent effizienten Single-Junction-POLO-Zellen vergleichbar ist.

Die in der Veröffentlichung erreichte Tandemleistung basiert auf der hohen Qualität von Material und Prozessen. Auf die am ISFH hergestellte Siliziumzellen wurden am KIT mit Perowskit-Topzellen prozessiert. Die Fähigkeit zur industriellen Anknüpfung an bewährte POLO-IBC-Technologien hebt die Bedeutung des Ansatzes für die Skalierung hervor.

Leistungsdaten und Systemverhalten

Die 3T-Tandemzelle erzielt einen Wirkungsgrad von 30,1 Prozent. Im 2T-Betrieb werden aufgrund von Strom-Mismatch-Verlusten nur 24,6 Prozent erreicht, obwohl die Zellarchitektur und die Perowskit-Bandlücke dieselben sind. Die Effizienz von 2T-Tandemzellen hängt erheblich von optimaler Stromanpassung ab, wie ein Vergleich der Perowskit-Bandlücken zwischen 1,52 und 1,73 Elektronenvolt zeigt. Wenn sich die Bandlücke von der optimalen Bandlücke von ca. 1.7 eV entfernt, verringert sich die Gesamtleistung erheblich. Die Leistungsfähigkeit der 3T-Architektur bleibt in diesem Bereich nahezu konstant.

Simulationen des jährlichen, unter realen Klimabedingungen generierten Energieertrags belegen diesen Vorteil. In Phoenix beträgt die jährliche 3T-Zellen-Leistung 546 kWh/m², während die 2T-Variante bei 513 kWh/m² liegt. Bei einer suboptimalen Bandlücke kann der Unterschied bis auf 89,5 kWh/m² jährlich anwachsen. Spektrale Schwankungen, die im Laufe eines Tages oder über das Jahr hinweg auftreten, werden von der 3T-Architektur robuster aufgefangen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Drei-Terminal-Architektur zentrale physikalische Einschränkungen klassischer 2T-Tandemzellen überwindet und zugleich höhere reale Energieerträge ermöglicht.

Die gezeigten Ergebnisse sind das Resultat der engen Kooperation zwischen dem KIT, dem ISFH und der LUH. Wir danken allen beteiligten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Projekts 27+6 für ihren Beitrag zu diesem technologischen Durchbruch.