Sonnenkollektoren könnten das Sonnenlicht viel besser einfangen

Eine neue Art von Solarzelle hat eine theoretische Grenze für die Effizienz siliziumbasierter Zellen durchbrochen und könnte es uns ermöglichen, mehr Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen.

Fast alle kommerziellen Solarzellen bestehen aus Silizium. Diese können nur einen schmalen Frequenzbereich des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Licht, das zu weit außerhalb dieses Bereichs liegt, dringt entweder direkt durch oder geht als Wärme verloren, wodurch Siliziumzellen eine theoretische Effizienzgrenze von etwa 29,4 Prozent erreichen.

Diese Grenze könnte theoretisch höher sein, wenn ein anderes Material, das Strom aus Licht in einem anderen Frequenzbereich erzeugt, auf die Siliziumschicht gestapelt wird. Perowskit, ein Kristall aus Titan und Kalzium, ist hierfür gut geeignet, da er Licht im näheren Infrarotspektrum besser absorbiert. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, es effizient zu machen. Der Grund dafür sind unberechenbare Elektronen, die wieder in den Kristall absorbiert werden, bevor sie in Strom umgewandelt werden können.

Jetzt haben zwei Forschungsgruppen Wege gefunden, Perowskit mit Silizium zu koppeln und so eine höhere Effizienz zu erreichen.

Damit Silizium und Perowskit zusammenarbeiten, Xin-Yu Chin an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne und seine Kollegen verwendeten ein zweistufiges Verfahren. Die Siliziumzelle wird zunächst mit einer eng anliegenden Schicht aus Vorläuferchemikalien überzogen, bevor eine zweite Schicht mit Chemikalien hinzugefügt wird, um die Vorläufer in Perowskit umzuwandeln. Dieser Prozess verursacht weniger Defekte in der Silizium-Perowskit-Grenzfläche, sagt Chin, und erhöht so die Anzahl der für den Strom verfügbaren Elektronen. Das Gerät des Teams hat einen Wirkungsgrad von 31,2 Prozent.

In einer separaten Studie Silvia Mariotti am Helmholtz-Zentrum Berlin und ihre Kollegen injizierten flüssiges Piperaziniumiodid in die Perowskitschicht, was offenbar auch die unerwünschten Elektronen reduzierte – und erreichte einen Wirkungsgrad von 32,5 Prozent.

„Die Effizienz ist phänomenal“, sagt er Kyle Frohna an der Universität Cambridge. Allerdings beschränken sich diese Zahlen derzeit auf Solarzellengrößen, die viel kleiner sind, als für die kommerzielle Nutzung erforderlich wäre, sagt er.

Das hat im Mai das Solarunternehmen Oxford PV bewiesen Perowskit-Silizium-Tandemzellen konnten im serienreifen Maßstab hergestellt werden, hatten allerdings einen etwas geringeren Wirkungsgrad von 28 Prozent.

„Wenn wir diese in großem Maßstab herstellen können, wozu offenbar einige Unternehmen in der Lage sind, ist das großartig“, sagt Frohna. „Der einzige Vorbehalt ist, dass wir sicherstellen wollen, dass sie stabil genug sind, um über einen langen Zeitraum zu halten.“