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München (ots) -
- LMU-Forschende entwickeln erstmals in München hocheffiziente
Perowskit-Silizium-Tandemzellen.
- Durch gezieltes molekulares Design steigert das Team Stabilität und
Ladungstransport auf Siliziumzellen in Industriequalität und erreicht eine
Effizienz von 31,4 Prozent.
- Die Technologie ist auf den Einsatz in industriellen Photovoltaik-Anwendungen
sowie in Satelliten im niedrigen Erdorbit ausgerichtet.
Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen gelten als Schlüsseltechnologie für die
Photovoltaik. Ihr Aufbau erlaubt es, Sonnenlicht effizienter zu nutzen als bei
herkömmlichen Siliziumzellen: Während die obere Perowskit-Schicht den
energiereichen blauen Anteil des Lichts absorbiert, fängt die darunterliegende
Silizium-Schicht den roten Bereich ein. Das Zusammenspiel beider Materialien
ermöglicht eine deutlich höhere Lichtausbeute.
Ein internationales Forschungsteam um Dr. Erkan Aydin
(https://aydin.cup.uni-muenchen.de/) , Forschungsgruppenleiter an der LMU, hat
diesen Ansatz nun entscheidend weiterentwickelt. Im Fachjournal Joule berichten
die Forschenden über die erste Perowskit-Silizium-Tandemzelle, die vollständig
in der Münchner Region gefertigt wurde. Kooperationspartner sind die Southern
University of Science and Technology (SUSTech) in Shenzhen, China, die City
University of Hong Kong und die King Abdullah University of Science and
Technology (KAUST) in Saudi-Arabien.
Ein neuer Ansatz beim Moleküldesign
Zentrales Element der Tandemzellen ist die selbstorganisierte Monoschicht
(Self-Assembled Monolayer, SAM). Diese nur wenige Nanometer dünne molekulare
Schicht sorgt dafür, dass elektrische Ladungen effizient zu den
Ladungssammelschichten transportiert werden. Auf pyramidenförmig strukturierten
Siliziumoberflächen neigen herkömmliche SAMs mit einfachen Alkylketten jedoch
dazu, ungleichmäßig zu aggregieren. Das schränkt die Leistungsfähigkeit der
Zellen ein.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscherinnen und Forscher ein
spezielles Molekül. Seine besondere Struktur verbessert den Ladungstransport
selbst auf rauen Oberflächen und schafft damit die Grundlage für eine stabile
Grenzfläche.
Bei Analysen machte das Team eine überraschende Beobachtung: Eine handelsübliche
SAM-Vorstufe enthielt winzige Mengen Brom-haltiger Verunreinigungen. Diese
erwiesen sich als äußerst nützlich, da sie Defekte an der Grenzfläche
neutralisieren und so die Effizienz der Solarzellen steigern.
"Dass eine so kleine chemische Veränderung eine derart große Wirkung entfalten
kann, hat uns selbst überrascht", erklärt Projektleiter Aydin. "Diese Erkenntnis
zeigt, wie entscheidend das präzise Zusammenspiel von Materialien auf
molekularer Ebene für den Energieertrag neuartiger Solarzellen ist."
Die Forschenden kombinierten bromierte und nicht bromierte Moleküle, um die
positiven Effekte des Broms zu nutzen, ohne die chemische Stabilität zu
beeinträchtigen. Ihre neu entwickelte SAM-Struktur ermöglicht eine dichtere
Molekülpackung und eine bessere Passivierung der Grenzfläche - was wiederum
höhere Wirkungsgrade, eine gesteigerte Stabilität und eine effizientere
Ladungsextraktion bewirkt.
31,4 Prozent Effizienz
Durch diese gezielte Feinsteuerung auf Molekülebene erreichte das Team eine
Effizienz der Zellen von 31,4 Prozent. Damit gehört das Team zu den weltweit
führenden Laboren in der Entwicklung von
Hochleistungs-Perowskit-Silizium-Tandemzellen. Besonders bemerkenswert ist, dass
diese Werte auf industriell relevanten kristallinen Silizium-Bottom-Zellen
erzielt wurden. Neben der Effizienzsteigerung zeigte sich auch eine verbesserte
Stabilität der Zellen über längere Zeiträume. Die dichtere molekulare Packung
der neuen SAMs schützt die empfindliche Grenzfläche vor Schäden auf molekularer
Ebene.
"Als nächsten Schritt wollen wir zeigen, dass unsere Tandemzellen ihre
Leistungsfähigkeit nicht nur im Labor unter Beweis stellen, sondern auch in
beschleunigten Alterungstests, die Aufschluss über ihr Verhalten unter realen
Umweltbedingungen geben", sagt Aydin. "Parallel dazu prüfen wir, wie sich die
Technologie für den Einsatz in der Raumfahrt anpassen lässt - insbesondere für
Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen." Gerade in diesem Bereich wachse das
Interesse an besonders leichten, leistungsfähigen und strahlungsresistenten
Solarzellen rasant.
Publikation
Jian Huang, Letian Zhang, Cem Yilmaz, Geping Qu, Ido Zemer, Rik Hooijer, Siyuan
Cai, Ali Buyruk, Hao Zhu, Meriem Bouraoui, Achim Hartschuh, Ryota Mishima, Kenji
Yamamoto, Caner Deger, Ilhan Yavuz, Alex K.-Y. Jen, Esma Ugur, Stefaan De Wolf,
Igal, Levine4, Zong-Xiang Xu, Erkan Aydin: Enhanced Charge Extraction in
Textured Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells via Molecular Contact
Functionalization. Joule, doi: https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102227
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Erkan Aydin
Ludwig-Maximilians-Universität München
Department Chemie
Butenandtstr. 5-13
81377 München
E-Mail: mailto:erkan.aydin@cup.lmu.de
Tel.: +49 89 2180-77805
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