Forscher der Bergischen Universität Wuppertal haben die Leistung von so genannten Tandem-Solarzellen verbessert. Durch die Kombination von organischen Materialien mit neuartigen Perowskit-Halbleitern konnten sie einen nach eigenen Angaben neuen Wirkungsgrad-Weltrekord von 24 Prozent aufstellen. Die innovativen Zellen könnten so perspektivisch bereits mit herkömmlichen Siliziumzellen mithalten, heißt es in der Mitteilung der Universität zu einem entsprechenden Forschungsbericht in der Fachzeitschrift „Nature“.

Die herkömmliche Solarzellentechnologie, die im Wesentlichen auf dem Halbleiter Silizium basiert, gilt inzwischen als so gut wie „ausoptimiert“. Signifikante Verbesserungen ihres Wirkungsgrades – mehr Watt elektrische Leistung als eingesammelte Sonnenleistung – sind nach Ansicht von Experten hier kaum noch zu erwarten. Vor dem Hintergrund und mit Blick auf die Energiewende ist die Entwicklung neuer Solartechnologien mit höherem Leistungspotenzial dringend erforderlich.

Tandem-Solarzellen hingegen nutzen anstelle von Silizium sowohl organische Materialien als auch neuartige Perowskit-Halbleiter. Was macht sie so erfolgreich? Kai Brinkmann, Doktorand am Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente an der Bergischen Universität, erläutert: „Dazu muss man sich daran erinnern, dass Sonnenlicht aus verschiedenen Spektralanteilen, sprich Farben, besteht. Man kennt das unter anderem vom Regenbogen, bei dem das weiße Sonnenlicht in seine Spektralanteile zerlegt wird – vom energiearmen roten bis zum energiereichen violetten Anteil.“ Eine grundlegende Limitierung von Solarzellen sei es nun, dass entweder nur ein geringer Spektralanteil des Sonnenlichtes absorbiert wird oder aber ein großer Anteil der absorbierten Lichtenergie in Wärme und nicht in elektrische Energie umgewandelt wird.

Wirkungsgradsteigerungen über 30 Prozent möglich

Und die Tandem-Solarzellen, bei denen zwei unterschiedliche Solarzellen in Reihe betrieben werden, glänzen nicht allein mit hohen Wirkungsgraden. Durch einen wesentlich geringeren Material- und Energiebedarf bei der Zellfertigung sei die durch das Forscherteam weiterentwickelte Technik auch unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit sehr vielversprechend, lobt Lehrstuhl-Inhaber Thomas Riedl die Perowskit-Organik-Tandemzellen.

Die in den Tandemzellen kombinierten Technologien hätten beide in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung erfahren. Die Entwicklungssprünge seien auch in Hinblick auf künftige weitere Leistungssteigerungen zukunftsweisend. Denn wo herkömmliche Solarzellen durch die Absorption eines geringen Spektralanteils des Sonnenlichtes oder eine zu große Wärmeentwicklung an ihre Grenzen kommen, biete das Zusammenwirken der beiden eingesetzten Zelltypen ein größeres Leistungsspektrum.

Dünne Zellverbindung reduziert Verluste

Vor diesem Hintergrund gehen Simulationen der Wuppertaler Wissenschaftler von möglichen Wirkungsgradsteigerungen auf über 30 Prozent aus. Derart hohe Photovoltaik-Wirkungsgrade würden bisher nur bei teuren Weltraumanwendungen erreicht. Erklärtes Ziel der Forscher ist es, mit der neuen Technik Solarzellen für Anwendungen auf der Erde mit ähnlich hohen Wirkungsgraden zu geringen Kosten zu entwerfen.

Um die Leistung der Tandemzellen weiter zu steigern, sei eine Reduzierung der Verluste bei der elektrischen und optischen Verbindung beider Solarzellen, dem sogenannten Interconnect, das Schlüsselelement. „Je dünner der Interconnect, desto besser“, fasst Tim Becker, Doktorand am Lehrstuhl von Thomas Riedl, das Ziel seiner Forschungsarbeit zusammen. Er entwickelt die Beschichtungstechnologie der Atomlagen-Abscheidung weiter. Bei seinen Versuchen kommt zur Kopplung der Solarzellen eine nur 1,5 Nanometer dünne Schicht aus Indiumoxid zur Anwendung.

Der vom Wuppertaler Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente geleitete Forschungsverbund bezieht auch Wissenschaftler der Universitäten Köln, Potsdam und Tübingen, des HelmholtzZentrums Berlin und des Düsseldorfer Max-Planck-Instituts für Eisenforschung ein. Ihre bisherige gemeinschaftliche Arbeit konnte auf Fördergelder aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union „Horizon 2020“ und dem Schwerpunktprogramm „SPP2196“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft zu Perowskit-Halbleitern zurückgreifen.