NUS-Forscher erfinden neuartige Triple-Junction-Tandem-Solarzellen mit Weltrekord-Wirkungsgrad

(SeaPRwire) –   SINGAPUR, 5. März 2024 — Wissenschaftler der National University of Singapore (NUS) haben eine neuartige Triple-Perowskit/Si-Tandem-Solarzelle entwickelt, die einen zertifiziert world-record-Wirkungsgrad von 27,1 Prozent auf einer Fläche von 1 Quadratzentimeter Sonnenenergieabsorptionsfläche erreicht. Damit ist sie die bisher leistungsstärkste Triple-Perowskit/Si-Tandem-Solarzelle. Um dies zu erreichen, hat das Team eine neue cyanatintegrierte Perowskitsolarzelle entwickelt, die stabil und energieeffizient ist.

Solarzellen können aus mehr als zwei Schichten hergestellt und zu mehrfachen Solarzellen zusammengesetzt werden, um die Effizienz zu erhöhen. Jede Schicht besteht aus unterschiedlichen Photovoltaik-Materialien und absorbiert Sonnenenergie in einem unterschiedlichen Bereich. Die derzeitigen Multi-Junction-Solarzellen weisen jedoch zahlreiche Probleme auf, wie z. B. Energieverluste, die zu einer geringen Spannung und Instabilität des Geräts während des Betriebs führen.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, hat Hou Yi, Assistenzprofessorin, ein Team von Wissenschaftlern geleitet und zum ersten Mal die erfolgreiche Integration von Cyanat in eine Perowskitsolarzelle demonstriert. Ziel war die Entwicklung einer hochmodernen Triple-Perowskit/Si-Tandem-Solarzelle, die die Leistung anderer ähnlicher Multi-Junction-Solarzellen übertrifft. Prof. Hou ist Presidential Young Professorin am  im CDE sowie Gruppenleiterin am SERIS, einem universitären Forschungsinstitut in NUS.

„Nach 15 Jahren laufender Forschung auf dem Gebiet der Perowskit-basierten Solarzellen ist dies bemerkenswerterweise der erste experimentelle Nachweis für die Einbindung von Cyanat in Perowskite zur Erhöhung der Stabilität ihrer Struktur und der Verbesserung des Wirkungsgrads bei der Energieumwandlung“, erklärte Prof. Hou.

Der experimentelle Prozess, der zu dieser bahnbrechenden Entdeckung führte, wurde am 4. März 2024 in veröffentlicht.

Herstellung energieeffizienter Solarzellentechnologie

Die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten der Perowskitstruktur bestimmen den Energiebereich, den sie erreichen kann. Die Anpassung des Anteils dieser Komponenten oder die Suche nach einem direkten Ersatz kann dazu beitragen, den Energiebereich des Perowskits zu verändern. Bisherige Forschungen haben jedoch noch kein Perowskitrezept mit einem ultrabreiten Energiebereich und einem hohen Wirkungsgrad hervorgebracht.

In ihrer kürzlich veröffentlichten Arbeit experimentierte das NUS-Team mit Cyanat, einem neuartigen Pseudohalogenid, als Ersatz für Bromid – ein Ion aus der Halogengruppe, das üblicherweise in Perowskiten verwendet wird. Dr. Liu Shunchang, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Team von Prof. Hou, bestätigte die erfolgreiche Integration von Cyanat in die Perowskitstruktur mithilfe verschiedener analytischer Methoden und stellte eine cyanatintegrierte Perowskitsolarzelle her.

Eine weitere Analyse der atomaren Struktur des neuen Perowskits lieferte – zum ersten Mal – experimentelle Beweise dafür, dass die Einbindung von Cyanat zur Stabilisierung der Struktur und zur Bildung wichtiger Wechselwirkungen innerhalb des Perowskits beitrug und zeigte, dass es sich um einen praktikablen Ersatz für Halogenide in Perowskit-basierten Solarzellen handelt.

Bei der Leistungsbewertung stellten die NUS-Wissenschaftler fest, dass Perowskitsolarzellen, die mit Cyanat ausgestattet sind, eine höhere Spannung von 1,422 Volt erreichen können, verglichen mit 1,357 Volt bei herkömmlichen Perowskitsolarzellen, bei einer erheblichen Reduzierung der Energieverluste.

Die Forscher testeten die neu entwickelte Perowskitsolarzelle auch, indem sie sie unter kontrollierten Bedingungen 300 Stunden lang kontinuierlich bei maximaler Leistung betrieben. Nach dem Testzeitraum blieb die Solarzelle stabil und arbeitete mit einer Kapazität von über 96 Prozent.

Ermutigt durch die beeindruckende Leistung der cyanatintegrierten Perowskitsolarzellen ging das NUS-Team mit seiner bahnbrechenden Entdeckung den nächsten Schritt und baute damit eine Triple-Perowskit/Si-Tandem-Solarzelle. Die Forscher stapelten eine Perowskitsolarzelle und eine Siliziumsolarzelle, um eine Halbzelle mit zwei Junctions zu erstellen, die eine ideale Basis für die Anbringung der cyanatintegrierten Perowskitsolarzelle bot.

Nach dem Zusammenbau zeigten die Forscher, dass die Triple-Perowskit/Si-Tandem-Solarzelle trotz der Komplexität ihrer Struktur stabil blieb und einen zertifizierten Weltrekordwirkungsgrad von 27,1 Prozent von einem akkreditierten unabhängigen Photovoltaik-Kalibrierlabor erreichte.

„Insgesamt bieten diese Fortschritte bahnbrechende Erkenntnisse zur Verringerung von Energieverlusten in Perowskitsolarzellen und legen einen neuen Kurs für die Weiterentwicklung der Perowskit-basierten Triple-Junction-Solartechnologie fest“, sagte Prof. Hou.

Nächste Schritte

Der theoretische Wirkungsgrad von Triple-Perowskit/Si-Tandem-Solarzellen übersteigt 50 Prozent, was ein erhebliches Potenzial für weitere Verbesserungen bietet, insbesondere in Anwendungen, bei denen der Installationsraum begrenzt ist.

Das NUS-Team strebt an, diese Technologie auf größere Module zu skalieren, ohne die Effizienz und Stabilität zu beeinträchtigen. Zukünftige Forschungen werden sich auf Innovationen an den Grenzflächen und der Zusammensetzung von Perowskit konzentrieren – dies sind die vom Team identifizierten Schlüsselbereiche, um diese Technologie weiter voranzutreiben.

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