Hochleistungs-Vollständig Anorganische Perowskit/Silizium Tandem-Solarzellen

• Antragsteller: Dr. Wensheng Yan, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392024936

Die gesicherte, erschwingliche und nachhaltige Energieversorgung aller Menschen auf diesem Planeten ist eine der größten globalen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Der Photovoltaik (PV) kommt im Rahmen einer zukünftigen Energieversorgung mit erneuerbarer Energien eine Schlüsselrolle zu. In den vergangenen Jahrzehnten dominierten Solarzellen auf Basis von kristallinem Silizium (c-Si) den globalen PV-Markt mit einem Marktanteil von >90%. Durch die rasante Entwicklung der neuartigen Perowskit-Solarzellen in den vergangenen Jahren besteht nun die Möglichkeit die Wirkungsgrade der etablierten kristallinem Silizium (c-Si) bei minimalen Zusatzkosten in einer Tandem-Solarzellenarchitektur signifikant zu steigern. Als Top-Solarzelle verwendet man in dieser Architektur eine Perowskit-Solarzelle, die in den vergangen Jahren eine rasche Steigerung der Energiekonversionseffizienz zeigen konnte und weitere Vorteile besitzt, wie eine anpassbare Bandlücke und preiswerte Herstellungsverfahren. In ersten wissenschaftlichen Studien konnten bereits Wirkungsgrade oberhalb von 25% mit Tandem-Solarzellen bestehend aus einer c-Si Bottom-Solarzelle und einer hybriden organisch-anorganischen Halogenid Perowskit Top-Solarzelle erreicht werden. Allerdings zeigen die eingesetzten hybriden organisch-anorganischen Halogenid Perowskite eine geringe Stabilität gegen Feuchtigkeit und Hitze. Weitere Verluste sind insbesondere auch auf parasitäre Lichtabsorption und nicht optimiertes Lichtmanagement zurückzuführen. Das Ziel dieses Projektes ist es ausdrücklich diese Herausforderungen anzugehen. Dazu werden insbesondere vollständig anorganische Perowskit-Solarzellen erforscht. In jüngster Vergangenheit konnten diese Materialien auf Basis von CsPbX3 (X = Br, I) eine noch nie dagewesene Stabilität in Perowskit-Solarzellen gegenüber Feuchtigkeit und Hitze aufgezeigt. Auch der Wirkungsgradfortschritt für all-anorganische Perowskit-Zellen ist bemerkenswert, mit aktuellen Rekordwirkungsgraden ~ 10% in weniger als 5 Jahren Entwicklungszeit. Es ist davon auszugehen, dass diese Wirkungsgrade weiter steigen und in naher Zukunft denen der hybriden organisch-anorganischen Perowskit-Solarzellen entsprechen. Damit werden vollständig anorganische Perowskit / c-Si Tandemzellen ein vielversprechender Weg um die Wirkungsgrade von c-Si-Solarzellen bei minimalen Kosten signifikant zu steigern und gleichzeitig hervorragende Leistungsstabilität gegenüber Feuchtigkeit und Hitze zu erreichen. Das vorliegende deutsch-chinesische Forschungsprojekt zielt darauf ab, die wichtigsten Herausforderungen dieser Technologie zu meistern und Prototypen (1cm2) der vollständig anorganischen Perowskit / c-Si Tandemzellen mit hoher Stabilität gegen Feuchtigkeit und Wärme zu erreichen (> 5000hours ohne Verkapselung). Dies wird einen bedeutenden Fortschritt in Richtung Industrialisierung der Technologie darlegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Zhong Jin