Forschung -

Tandemsolarzelle erzielt einen Wirkungsgrad von 21,19 Prozent

Auf der Suche nach einem höheren Wirkungsgrad wurde ein Durchbruch in der Silizium(Si)-Solarzellentechnologie erzielt. Diese als Tandem bekannte Technologie zielt darauf ab, die theoretische Effizienzgrenze von Si-Solarzellen zu überwinden, indem Perowskitsolarzellen (PSCs) den Si-Solarzellen hinzugefügt werden.

Ein UNIST-Forschungsteam stellte sich erstmals der Herausforderung, Tandemsolarzellen zu entwickeln, und erhielt viel Aufmerksamkeit für den erreichten Wirkungsgrad von 21,19 Prozent.

Dieser Durchbruch wurde von den Professoren Kyung Jin und Song Myung Hoon an der 'School of Materials Science and Engineering' der UNIST in Zusammenarbeit mit Shinsung E&G erzielt.

In der vorliegenden Studie schlug das Forschungsteam eine neue Optimierungsmethode des Designs von kostengünstigen und hocheffizienten monolithischen Tandemzellen auf der Basis von p-Typ 'Homojunction'-Si-Zellen vor, indem es eine verlustfreie Stromanpassung durch das gleichzeitige Steuern der Bandlückenenergie und der Dicke der Perowskitfolie realisiert.

Die Silizium-Solarzellentechnologie, die derzeit den größten Teil der Solarindustrie ausmacht, stößt sowohl beim Wirkungsgrad als auch bei der Senkung der Herstellungskosten an ihre Grenzen.

Der Wirkungsgrad der Si-Solarzelle hat 26,6 Prozent erreicht (n-Typ, Heterojunction Back Contact Structure), was fast dem Grenzwert von 29 Prozent Effizienz entsprach. Und auch die Kosten sanken auf 0,16 Dollar pro 1 W (PERC-Solarzelle).

"Aufgrund der chinesischen Auswirkungen auf die preisbetonte Sonnenenergie startet die Solarenergieindustrie das so genannte Angsthasenspiel. Außerdem sind die Preise stetig gesunken und bedrohen damit den Break-Even-Punkt", sagte Professor Choi. "Um in Zukunft zu überleben, müssen heimische Solarenergieunternehmen die Effizienz von Solarzellen innovativ verbessern".

Neben vielen anderen Alternativen gelten Perowskit/Si-Tandemsolarzellen als die effektivste Methode, um sowohl das Effizienzlimit als auch das Stückkostenproblem zu lösen, indem sie die technische Grenze der heutigen Si-Solarzellen umgehen.

Der Grund dafür ist, dass kostengünstige und hocheffiziente Solarzellen hergestellt werden können, indem man die Vorzüge der Perowskitsolarzellen mit den bestehenden Si-Solarzellenherstellungsverfahren kombiniert.

Solarzellen sind Komponenten, bei denen der Halbleiter, der Sonnenlicht absorbiert, Strom erzeugt. Da der Sonnenlichtbereich, der von jeder Substanz absorbiert werden kann, jeweils unterschiedlich ist, gibt es eine Einschränkung bei der Effizienzsteigerung durch den Einsatz nur einer Substanz.

"In einer Solarzelle mit nur einem Übergang ist der Absorptionsbereich des Sonnenlichts festgelegt, und es gibt ein Problem, das Sonnenlicht aus anderen Bereichen zu übertragen oder es wird als Wärmeenergie verschwendet", sagte Chan Ul Kim, erster Autor dieser Studie.

"Eine Solarzelle mit Multi-Übergängen kann die Energieverluste durch eine Tandemstruktur minimieren, die vertikal zwei oder mehr optisch absorbierende Halbleiter übereinanderstapelt, die sich gegenseitig ergänzen."

Es gab Tandemzellen auf Halbleiterbasis mit Gallium (Ga) und Arsen (As). Allerdings war es schwierig, es mit diesen teuren Materialien und Herstellungsgeräten zu vermarkten.

In dieser Studie wird die Si-Solarzelle (p-Si Al-BSF), die den Hauptteil des Solarzellenmarktes einnimmt und die niedrigsten Herstellungskosten aufweist, ganz unten platziert.

An der Spitze wurde eine hocheffiziente Perowskitsolarzelle angebracht. Damit hatte der Wirkungsgrad der neu entwickelten, kostengünstigen und hocheffizienten Tandemsolarzelle bei gleicher Tandemstruktur einen deutlich höheren Wirkungsgrad von 21,19 Prozent.

Dieses Forschungsprojekt wurde vom 'Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning' (KETEP) und dem 'Korean Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE)' unterstützt.

Schrifttum: Chan Ul Kim et al., “Optimization of device design for low cost and high efficiency planar monolithic perovskite/silicon tandem solar cells,” Nano Energy, (2019).

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