optimale Photovoltaikzelle

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Die Zeichnung zeigt eine hocheffiziente Tandem-Photovoltaikzelle, bei der eine Perowskit-Solarzelle mit einer CIGS-Dünnschichtzelle kombiniert wird. Das Ziel dieses Aufbaus besteht darin, einen möglichst großen Anteil des Sonnenspektrums auszunutzen und dadurch einen deutlich höheren Wirkungsgrad zu erreichen als mit einer einzelnen Solarzelle.

Grundprinzip

Das Sonnenlicht besteht aus Photonen mit sehr unterschiedlichen Energien.

• Blaues Licht besitzt viel Energie.

• Grünes Licht mittlere Energie.

• Rotes und infrarotes Licht besitzen geringere Energie.

Eine einzelne Solarzelle kann nur einen begrenzten Energiebereich optimal nutzen.

Deshalb stapelt man zwei unterschiedliche Halbleiter übereinander.

Die obere Schicht nutzt die energiereichen Photonen.

Die untere Schicht nutzt die Photonen, die die obere Schicht durchgelassen hat.

Dadurch wird deutlich weniger Sonnenenergie verschwendet.

Schichtaufbau von oben nach unten

1. ITO (Indium-Zinn-Oxid)

Ganz oben befindet sich eine transparente leitfähige Schicht.

Aufgaben:

• Licht nahezu ungehindert durchlassen

• elektrischen Strom sammeln

• Frontkontakt bilden

ITO besitzt gleichzeitig

• hohe Transparenz

• gute elektrische Leitfähigkeit.

2. Spiro-OMeTAD (HTL)

HTL bedeutet

Hole Transport Layer

Diese Schicht transportiert ausschließlich positive Ladungsträger (Löcher).

Elektronen werden möglichst blockiert.

Dadurch sinken Rekombinationsverluste.

3. Perowskit-Absorber

Hier entsteht der größte Teil der Ladungsträger aus energiereichem Licht.

Im Beispiel:

CH₃NH₃PbI₃

Bandlücke:

≈ 1,65 eV

Diese Bandlücke eignet sich hervorragend für

• UV-Licht

• blaues Licht

• grünes Licht

Der Absorber ist lediglich etwa

400 nm

dick.

Trotzdem absorbiert er fast das gesamte sichtbare Licht.

Das ist eine Besonderheit der Perowskite.

4. PCBM (ETL)

Electron Transport Layer

Diese Schicht sammelt ausschließlich Elektronen.

Löcher werden zurückgehalten.

Dadurch wird wiederum die Rekombination reduziert.

5. ZnO

Eine dünne Zinkoxidschicht dient als

• Elektronenleiter

• Schutzschicht

• Anpassung der Energieniveaus.

6. Tunnel-Junction

Dies ist die eigentliche Verbindung zwischen beiden Solarzellen.

Sie besteht aus einer hochdotierten pn-Struktur.

Hier können die Elektronen quantenmechanisch tunneln.

Sie verbindet

• obere Solarzelle

• untere Solarzelle

elektrisch in Serie.

Zweite Solarzelle

Nun folgt die CIGS-Zelle.

CIGS bedeutet

Cu(In,Ga)Se₂

Bandlücke:

≈1,1 eV

Diese absorbiert besonders gut

• rotes Licht

• nahes Infrarot

also genau den Spektralbereich, den die obere Perowskitzelle durchgelassen hat.

Die aktive Schicht ist etwa

2200–2500 nm

dick.

CdS-Buffer

Eine sehr dünne Cadmiumsulfid-Schicht

verbessert

• den pn-Übergang

• die Oberflächenqualität

• den Ladungstransport.

i-ZnO

Elektrisch isolierende Pufferschicht.

Sie verhindert Kurzschlüsse.

Molybdän-Rückkontakt

Mo besitzt

• geringe elektrische Verluste

• hohe Temperaturstabilität

• gute Haftung auf Glas.

Glassubstrat

Es trägt die gesamte Solarzelle.

Energiefluss

Der Energiefluss sieht folgendermaßen aus:

Sonne

↓

ITO

↓

Perowskit

nimmt UV
nimmt Blau
nimmt Grün

↓

restliches Licht

↓

CIGS

nimmt Rot

nimmt Infrarot

↓

elektrischer Strom

Warum zwei Bandlücken?

Die obere Zelle besitzt

Bandlücke

1,65 eV

Die untere

1,1 eV

Dadurch wird nahezu das gesamte Sonnenspektrum genutzt.

Eine einzelne Solarzelle müsste einen Kompromiss eingehen.

Warum steigt der Wirkungsgrad?

Bei einer normalen Solarzelle entstehen zwei große Verluste:

1. Thermalisation

Ein blaues Photon besitzt beispielsweise

3 eV

Die Solarzelle benötigt aber nur

1,1 eV

Die restlichen

1,9 eV

werden zu Wärme.

2. Transmission

Rotes Licht besitzt eventuell

0,9 eV

Damit kann die Solarzelle nichts anfangen.

Das Licht geht vollständig verloren.

Bei der Tandemzelle wird dieses Problem gelöst.

Oben werden die energiereichen Photonen genutzt.

Unten die energieärmeren.

Diagramm rechts oben

Es zeigt die Optimierung der Schichtdicken.

Ist die Schicht

• zu dünn,

geht Licht verloren.

Ist sie

• zu dick,

steigen Rekombination und elektrische Verluste.

Es gibt deshalb eine optimale Dicke.

Diagramm rechts Mitte

Hier wird verglichen:

Einfachzelle

≈22,5 %

Tandemzelle

≈29 %

Das bedeutet

rund

30 %

mehr elektrische Leistung

auf derselben Fläche.

Heute erreichen experimentelle Perowskit-Silizium-Tandemzellen sogar Wirkungsgrade von über 34 % unter Laborbedingungen.

Warum gelten Perowskite als Zukunftstechnologie?

Perowskite bieten mehrere entscheidende Vorteile:

• sehr hohe Lichtabsorption bereits in dünnen Schichten,

• einstellbare Bandlücke durch Veränderung der chemischen Zusammensetzung,

• potenziell kostengünstige Herstellung durch Druck- oder Beschichtungsverfahren,

• gute Eignung für die Kombination mit anderen Solarzellentechnologien in Tandemzellen.

Die größte Herausforderung bleibt derzeit die Langzeitstabilität. Feuchtigkeit, Sauerstoff, UV-Strahlung und Temperaturwechsel können viele Perowskitmaterialien noch schneller altern lassen als etablierte Technologien. Gelingt es, diese Stabilitätsprobleme dauerhaft zu lösen, könnten Tandemzellen wie die dargestellte Konstruktion zukünftig deutlich effizientere Solarmodule ermöglichen als heutige Standard-Siliziumzellen.