In Simulationen und Experimenten zeigen die Forscher, dass die Einführung winziger nanoskaliger Texturierungen auf den Oberflächen von Materialien in Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen die Effizienz erheblich steigern kann, indem die Menge an Lichtenergie reduziert wird, die durch Reflexion verloren geht. Ein neues nanotexturiertes Design kann ein Leistungsumwandlungseffizienzpotenzial von über 29% erreichen, das laut Simulationen mit besseren Herstellungstechniken und zusätzlicher Texturierung weiter verbessert werden könnte.
Philipp Tockhorn vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) wird die Arbeiten auf dem am 29. Juli stattfindenden virtuellen OSA Advanced Photonics Congress vorstellen.
„Wir präsentieren nanotexturierte Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen, die den besten Zellen in diesem hochdynamischen Feld ebenbürtig sind“, sagte Tockhorn. Unsere Ergebnisse können zur Weiterentwicklung hocheffizienter Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen beitragen und haben das Potenzial, die Kosten für Solarstrom weiter zu senken.“
Perowskite sind Materialien mit einer Kristallstruktur ähnlich der des natürlich vorkommenden Minerals Perowskit. Diese halbleitenden Materialien wandeln Sonnenlicht sehr effizient in Energie um und waren ein wichtiger Schwerpunkt bei der Entwicklung von Solarenergietechnologien der nächsten Generation. Heutige Solarmodule werden hauptsächlich aus Silizium hergestellt.
Für die neue Arbeit untersuchten Tockhorn, Johannes Sutter und Kollegen aus den Gruppen von Prof. Becker und Prof. Albrecht am HZB, wie sich die Einführung von Nanotexturierung an verschiedenen Grenzflächen auf die Leistung von Tandemsolarzellen aus einer Perowskit-Solarzelle auf einer Silizium-Solarzelle auswirkt. Sie verwendeten zuerst eine Computersimulation, um den elektrischen Strom in den Perowskit- und Silizium-Teilzellen (die Photostromdichte) zu berechnen, wenn die Perowskit-Schicht völlig flach, nur unten nanotexturiert (bucklig) war, wo sie auf die Siliziumschicht traf, oder oben holprig war und unten. Die simulierten Höcker waren etwa 300 nm hoch und 750 nm voneinander entfernt. Während das einseitig nanotexturierte Design in der Simulation nur eine geringfügige Leistungsverbesserung gegenüber dem flachen Design zeigte, wurde berechnet, dass die vollständig texturierte Architektur erheblich mehr Licht absorbiert, was die Photostromdichte um 0.7 mA/cm . erhöht2 pro Unterzelle.
Um weiter zu untersuchen, wie sich die Nanotexturierung auf die Leistung von Solarzellen auswirkt, stellten die Forscher dann verschiedene Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellendesigns her: eines mit einer vollständig flachen Perowskitschicht und eines mit einer oben flachen und unten an der Grenzfläche holprigen Perowskitschicht die Silizium-Solarzelle. Sie stellten fest, dass die einseitige Nanotexturierung die Lichtabsorption und Stromerzeugung in der Silizium-Absorberschicht bereits um 0.2-0.3 mA/cm² erhöhte.
„Bemerkenswerterweise verbessern die Nanotexturen nicht nur die Lichtabsorption, sondern führen auch zu einer leichten Verbesserung der Tandemsolarzellen elektronisch Qualität im Vergleich zur planaren Referenz in Verbindung mit besseren Filmverarbeitungsbedingungen, sagte Tockhorn.
Die Ergebnisse legen einen vielversprechenden Weg für weitere Verbesserungen nahe, so die HZB-Forscher. Basierend auf ihren Simulationsergebnissen sagen die Forscher voraus, dass eine Solarzelle, bei der die Perowskitschicht sowohl oben als auch unten nanotexturiert ist, wahrscheinlich die Leistung weiter steigern und einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von über 30 % erreichen würde.
„Eine Weiterentwicklung dieses doppelseitigen texturierten Ansatzes ist vorhanden und machbar, erfordert jedoch Verbesserungen im Herstellungsprozess, um der Oberseite der Perowskitschicht eine Nanotexturierung hinzuzufügen“, sagte Tockhorn.
