In simulaties en experimenten tonen onderzoekers aan dat het introduceren van kleine texturen op nanoschaal op de oppervlakken van materialen in perovskiet/silicium tandemzonnecellen de efficiëntie aanzienlijk kan verhogen door de hoeveelheid lichtenergie die verloren gaat door reflectie te verminderen. Een nieuw ontwerp met nanotextuur kan een rendementspotentieel van meer dan 29% bereiken, wat volgens simulaties verder kan worden verbeterd met betere fabricagetechnieken en extra texturen.
Philipp Tockhorn van Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) presenteert het werk op 29 juli op het virtuele OSA Advanced Photonics Congress.
"We presenteren perovskiet/silicium tandem-zonnecellen met nanotextuur die vergelijkbaar zijn met de beste cellen die in dit zeer dynamische veld worden gepresenteerd", zei Tockhorn. Onze bevindingen kunnen bijdragen aan de verdere ontwikkeling van zeer efficiënte perovskiet/silicium tandem zonnecellen en hebben het potentieel om de kosten van zonne-elektriciteit verder te verlagen."
Perovskieten zijn materialen met een kristalstructuur die lijkt op die van het natuurlijk voorkomende mineraal perovskiet. Deze halfgeleidende materialen zetten zonlicht zeer efficiënt om in energie en zijn een belangrijk aandachtspunt geweest voor de ontwikkeling van de volgende generatie zonne-energietechnologieën. De zonnepanelen van tegenwoordig zijn voornamelijk gemaakt van silicium.
Voor het nieuwe werk onderzochten Tockhorn, Johannes Sutter en collega's van de groepen van Prof. Becker en Prof. Albrecht van de HZB hoe de introductie van nanotexturing op verschillende interfaces de prestaties beïnvloedt van tandemzonnecellen gemaakt van een perovskiet-zonnecel bovenop een siliciumzonnecel. Ze gebruikten eerst een computersimulatie om de elektrische stroom in de perovskiet- en siliciumsubcellen (de fotostroomdichtheid) te berekenen wanneer de perovskietlaag helemaal vlak was, nanotextuur (hobbelig) alleen aan de onderkant waar deze de siliciumlaag ontmoette, of hobbelig aan beide bovenkanten en bodem. De gesimuleerde hobbels waren ongeveer 300 nm hoog en 750 nm uit elkaar. Terwijl het eenzijdige nanotextuurontwerp in de simulatie slechts een lichte prestatieverbetering liet zien ten opzichte van het platte ontwerp, werd de volledig gestructureerde architectuur berekend om aanzienlijk meer licht te absorberen, waardoor de fotostroomdichtheid met 0.7 mA/cm toenam2 per subcel.
Om verder te onderzoeken hoe nanotexturing de prestaties van zonnecellen beïnvloedt, hebben de onderzoekers verschillende perovskiet/silicium tandem-zonnecelontwerpen gefabriceerd: een met een volledig vlakke perovskietlaag en een met een perovskietlaag die plat is aan de bovenkant en hobbelig aan de onderkant bij de interface naar de silicium zonnecel. Ze stelden vast dat de eenzijdige nanotexturing het geabsorbeerde licht en de gegenereerde stroom in de siliciumabsorberende laag al met 0.2-0.3 mA/cm² verhoogde.
“Opmerkelijk is dat de nanotexturen niet alleen de lichtabsorptie verbeteren, maar ook leiden tot een lichte verbetering van de tandem-zonnecel elektronische kwaliteit in vergelijking met de vlakke referentie in combinatie met betere filmverwerkingsomstandigheden, zei Tockhorn.
De bevindingen suggereren een veelbelovende weg voor verdere verbeteringen, aldus de HZB-onderzoekers. Op basis van hun simulatieresultaten voorspellen de onderzoekers dat een zonnecel waarvan de perovskietlaag zowel aan de boven- als onderkant een nanotextuur heeft, de prestaties verder zou verhogen en een energieconversie-efficiëntie van meer dan 30% zou bereiken.
"Een verdere ontwikkeling van deze dubbelzijdige getextureerde benadering is bestaand en haalbaar, maar zal verbeteringen in het fabricageproces vereisen om nanotexturing aan de bovenzijde van de perovskietlaag toe te voegen," zei Tockhorn.
