Ein Forschungsteam der Universität Sydney hat einen neuen Rekord in der Solartechnologie aufgestellt. Die Wissenschaftler:innen entwickelten die bislang größte und effizienteste Perowskit-Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle mit dreifacher Verbindung. Wie die Universität mitteilte, zeichnet sich die Zelle nicht nur durch eine hohe Effizienz, sondern auch durch eine besondere Stabilität aus. Das ist ein wichtiger Schritt, um bestehende technische Hürden zu überwinden.

Unter der Leitung von Professorin Anita Ho-Baillie, die den John-Hooke-Lehrstuhl für Nanowissenschaften am Nano Institute und an der School of Physics der Universität Sydney innehat, erreichte die 16 Quadratzentimeter große Dreifach-Solarzelle im stationären Betrieb eine unabhängig zertifizierte Leistungsumwandlungseffizienz von 23,3 Prozent. Das ist der höchste jemals gemessene Wert für eine großflächige Zelle dieser Art. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Im kleineren Maßstab konnte eine ein Quadratzentimeter große Zelle schon eine Effizienz von 27,06 Prozent erzielen und setzte damit neue Maßstäbe bei der thermischen Stabilität. Als weltweit erste Solarzelle bestand sie den Thermocycling-Test der Internationalen Elektrotechnischen Kommission. Bei diesem Test müssen Geräte 200 Zyklen extremer Temperaturschwankungen zwischen -40 und 85 Grad Celsius durchlaufen. Nach über 400 Stunden Dauerbetrieb unter Licht erreichte die Zelle immer noch 95 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung.

Eine Dreifach-Solarzelle kombiniert drei miteinander verbundene Halbleiterschichten, die jeweils unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums absorbieren, um die Umwandlung der Sonnenenergie in Elektrizität zu maximieren. Ho-Baillie erklärte, dieser Fortschritt sei durch eine neue chemische Zusammensetzung des Perowskit-Materials und ein überarbeitetes Zellendesign möglich geworden. „Wir haben sowohl die Leistung als auch die Widerstandsfähigkeit dieser Solarzellen verbessert”, sagte sie. „Das zeigt nicht nur, dass große, stabile Perowskit-Bauelemente möglich sind, sondern auch das enorme Potenzial für weitere Effizienzsteigerungen.”

Anstelle des bislang verwendeten, weniger stabilen Methylammoniums nutzten die Forscher:innen Rubidium und schufen damit ein robusteres Perowskit-Gitter, das weniger anfällig für Defekte und Degradation ist. Zudem ersetzten sie das instabile Lithiumfluorid durch Piperaziniumdichlorid, um die Oberfläche der Zelle zu optimieren. Eine eigens entwickelte Goldnanopartikelbeschichtung verbindet die beiden Perowskit-Schichten und verbessert zugleich den Stromfluss sowie die Lichtabsorption. Durch diese Innovationen ist die Dreifach-Solarzelle in der Lage, über längere Zeiträume hinweg und unter Belastung einen hohen Wirkungsgrad beizubehalten.

Perowskite gehören zu einer neuen Generation von Photovoltaik-Materialien. Sie sind besonders interessant, da sie sich kostengünstig herstellen und in mehreren Schichten mit Silizium kombinieren lassen. So kann deutlich mehr Sonnenlicht eingefangen werden als mit herkömmlichen Solarzellen. Bislang war es allerdings schwierig, die Technologie über das Laborstadium hinaus zu skalieren und ihre Stabilität unter realen Bedingungen zu gewährleisten.

Die aktuelle Forschung entstand in Zusammenarbeit mit internationalen Partner:innen aus China, Deutschland und Slowenien und wurde von der Australian Renewable Energy Agency sowie dem Australian Research Council gefördert. „Das ist das bisher größte vorgestellte Perowskit-Gerät mit Dreifachverbindung, das von unabhängigen Labors gründlich getestet und zertifiziert wurde“, sagte Ho-Baillie. „Wir sind jetzt noch zuversichtlicher, dass die Technologie für den praktischen Einsatz skaliert werden kann.“