Duitse wetenschappers zijn er in geslaagd het rendement van volledig in eigen beheer geproduceerde perovskiet silicium tandem zonnecellen te verhogen tot een nieuwe recordwaarde van 29,80 procent. De waarde is nu officieel gecertificeerd en opgenomen in de NREL-grafieken. Hiermee komt de grens van 30 procent binnen bereik, aldus het Hemholz-instituut uit Berlijn in een persbericht.
De huidige zonnemodules zijn hoofdzakelijk gemaakt van silicium, en de mogelijkheden voor verdere verhoging van de efficiëntie zijn al grotendeels uitgeput. Maar sinds 2008 is de materiaalklasse van “metaalhalogenide perovskieten” in het brandpunt van het onderzoek komen te staan: deze halfgeleiderverbindingen zetten zonlicht uiterst efficiënt om in elektrische energie en bieden nog veel ruimte voor verbetering. Zij kunnen met name uitstekend worden gecombineerd met zonnecellen van silicium om tandemzonnecellen te vormen die veel efficiënter gebruik kunnen maken van zonlicht.
Spannende race
Bij HZB werken verschillende groepen sinds 2015 intensief aan zowel de perovskiet halfgeleiders als silicium technologieën en de combinatie van beide in innovatieve tandem zonnecellen. In januari 2020 had HZB een record van 29,15 procent bereikt voor een perovskiet silicium tandem zonnecel en publiceerde het werk in het tijdschrift Science. Vervolgens kon het Oxford PV-bedrijf voor Kerstmis 2020 een gecertificeerd rendement van 29,52 procent bekendmaken. Sindsdien is de spannende race begonnen.
“Een rendement van 30 procent is als een psychologische grens voor deze fascinerende nieuwe technologie. Het zou in de nabije toekomst een revolutie teweeg kunnen brengen in de solarindustrie,” legt Steve Albrecht uit, die perovskiet dunne films bestudeert in het HySPRINT Innvovation Lab van HZB.
Bernd Stannowski, groepsleider siliciumtechnologie bij HZB’s PVcomB, voegt hieraan toe: “Ik wil vooral de goede samenwerking tussen de verschillende groepen en instituten bij HZB benadrukken. Zo zijn we erin geslaagd om weer een tandem zonnecel volledig bij HZB te ontwikkelen en opnieuw het wereldrecord te behalen.”
Voor deze tandemzonnecel lag de nadruk op de optische verbetering van de silicium heterojunctie bodemcel. Daartoe werden een met nanotextuur beklede voorzijde en een diëlektrische achterreflector toegevoegd. Nu kwam de officiële bevestiging: “Onze nieuwe perovskiet silicium tandem zonnecellen werden gecertificeerd met een wereldrecord rendement van 29,80 procent door het Fraunhofer ISE CalLab”, aldus Christiane Becker, die met haar team onderzoekt hoe nanostructurering reflectieverliezen kan verminderen.
Nanotextuur silicium
Voor het nieuwe werk hebben Dr. Philipp Tockhorn (Albrecht groep) en PhD student Johannes Sutter (Becker groep) onderzocht hoe nanostructuren aan verschillende interfaces de prestaties beïnvloeden van een tandem zonnecel bestaande uit een perovskiet zonnecel op een silicium zonnecel. Eerst berekenden zij met behulp van een computersimulatie de fotostroomdichtheid in de perovskiet- en siliciumsubcellen voor verschillende geometrieën met en zonder nanotexturen. Vervolgens produceerden zij perovskiet silicium tandem zonnecellen met verschillende texturen.
“Zelfs de nanotexturering aan één zijde verbetert de lichtabsorptie en maakt een hogere kortsluitstroom mogelijk vergeleken met een vlakke referentie” legt Sutter uit. En zijn collega Tockhorn voegt daaraan toe: “Opmerkelijk is dat de nanotexturen ook leiden tot een lichte verbetering van de elektronische kwaliteit van de tandemzonnecel en tot een betere filmvorming van de perovskietlagen.”
Diëlektrische reflector
Er zijn ook verbeteringen aangebracht aan de achterkant van de cel, die is ontworpen om infrarood licht terug te weerkaatsen in de siliciumabsorber. “Door een diëlektrische reflector te gebruiken, konden we dit deel van het zonlicht efficiënter gebruiken, wat resulteerde in een hogere fotostroom”, aldus Dr Alexandros Cruz Bournazou, postdoc in de groep van Bernd Stannowski.
De resultaten wijzen de weg naar verdere verbeteringen. Uit de simulaties blijkt dat de prestaties nog kunnen worden verbeterd door de absorptielagen aan beide zijden te nanostructureren. De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat een rendement van meer dan 30 procent haalbaar is.
Ook interessant: Onderzoeker Junke Wang promoveert op fabricagemethode voor zonnecellen met perovskiet
Geselecteerd voor jou!
Innovation Origins is het Europese platform voor innovatienieuws. Naast de vele berichten van onze eigen redactie in 15 Europese landen, selecteren wij voor jou de belangrijkste persberichten van betrouwbare bronnen. Zo blijf je op de hoogte van alles wat er gebeurt in de wereld van innovatie. Ben jij of ken jij een organisatie die niet in onze lijst met geselecteerde bronnen mag ontbreken? Meld je dan bij onze redactie.
