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Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben einen Prototyp für vollständig skalierbare Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule entwickelt. Diese Module haben einen Wirkungsgrad bis 19,1% auf einer Aperturfläche von 12,25 cm².
Ermöglicht wurde dieses weltweit erstmals gemeldete Ergebnis durch eine Verbesserung des Wirkungsgrads mit gezieltem Lichtmanagement, einer Hochdurchsatz-Laser-Strukturierung und den Einsatz industriell etablierter Beschichtungsverfahren.
In den vergangenen Jahren haben sich Solarzellen aus Perowskit-Halbleitern dank hoher Wirkungsgrade und niedriger Herstellungskosten als besonders vielversprechend erwiesen. Die Effizienz einer Perowskit-Einzelzelle ist trotz der enormen Entwicklung allerdings begrenzt. Überwinden lässt sich diese Begrenzung durch das Stapeln von zwei Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken. Bei der Bandlücke handelt es sich um eine Materialeigenschaft, die denjenigen Teil des Lichtspektrums bestimmt, den eine Solarzelle absorbiert, um Strom zu erzeugen.
Tandem-Solarzellen nutzen einen breiteren Teil des Lichtspektrums und liefern mehr Strom, bieten also höhere Wirkungsgrade. Perowskit-Solarzellen mit abstimmbarer Bandlücke eignen sich ideal als Tandempartner für Solarzellen aus anderen Materialien, aber auch für Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarzellen. Diese zeichnen sich aus durch kostengünstige Herstellung, Verarbeitung mit lösungsbasierten Verfahren, mechanische Flexibilität und die Freiheit, verschiedene Einzelzellen mit unterschiedlichen Perowskit-Bandlücken zu kombinieren. Die Forschung geht davon aus, dass Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule zukünftig hohe Marktanteile erobern werden, sofern sie die Anforderungen an Stabilität und Skalierbarkeit erfüllen. Skalierbarkeit bedeutet, dass sich Entwicklungen auf grössere Massstäbe und auf die Massenfertigung übertragen lassen.
Die Forschenden am KIT haben nun erfolgreich einen Prototyp für die Skalierung hocheffizienter Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule entwickelt: Es gelang ihnen, Perowskit-Einzelzellen mit Wirkungsgraden bis 23,5% bei einer Aperturfläche von 0,1 cm² zu Perowskite/Perowskit-Tandem-Solarmodulen mit Wirkungsgraden bis 19,1% bei einer Aperturfläche von 12,25 cm² aufzuskalieren. Die Aperturfläche ist der nutzbare, nicht von Elektroden, Rahmen oder Befestigungen verdeckte Teil der Fläche. Bei der Aufskalierung ist der Wirkungsgradverlust mit relativ circa 5% gering.
Das beachtliche Ergebnis basiert auf drei wesentlichen Innovationen. Die Forschenden des KIT steigerten den Wirkungsgrad durch gezieltes Lichtmanagement, das heisst Optimieren des Lichtwegs und Reduzieren von Reflexion in der Solarzellenarchitektur. Sie verwirklichten ein effizientes Layout für Tandem-Solarmodule mithilfe einer Hochdurchsatz-Laser-Strukturierung, die es ermöglicht, funktionsfähige Tandem-Solar-Minimodule mit zweipolig miteinander verbundenen Zellstreifen herzustellen. Schliesslich verwendeten die Forschenden Beschichtungsverfahren wie Rakeln und Vakuumabscheidung, die in der Industrie bereits etabliert sind.