Perowskit-Silizium-Tandemzellen erreichen neue Effizienzrekorde
Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen werden als zentrale Zukunftstechnologie der Photovoltaik eingeordnet. Ihr mehrschichtiger Aufbau ermöglicht eine deutlich bessere Nutzung des Sonnenlichts als klassische Siliziumzellen. Die obere Perowskit-Schicht nimmt vor allem den energiereichen blauen Anteil des Lichts auf, während die darunterliegende Silizium-Schicht den roten Bereich verwertet. Durch dieses abgestimmte Zusammenspiel lässt sich die Lichtausbeute signifikant steigern.
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Erkan Aydin, Forschungsgruppenleiter an der LMU, hat diesen Ansatz nun maßgeblich weiterentwickelt. In der Fachzeitschrift Joule beschreibt das Team die erste Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle, die vollständig in der Region München hergestellt wurde. Beteiligt waren außerdem die Southern University of Science and Technology (SUSTech) in Shenzhen, die City University of Hong Kong sowie die King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien.
Neuer Ansatz im Moleküldesign
Eine Schlüsselrolle in den Tandemzellen spielt die sogenannte selbstorganisierte Monoschicht (Self-Assembled Monolayer, SAM). Diese nur wenige Nanometer starke Schicht sorgt dafür, dass elektrische Ladungen effizient zu den entsprechenden Sammelschichten weitergeleitet werden. Auf pyramidenförmig strukturierten Siliziumoberflächen zeigen herkömmliche SAMs mit einfachen Alkylketten jedoch eine ungleichmäßige Anordnung, was die Leistungsfähigkeit der Zellen begrenzt.
Um diese Schwachstelle zu überwinden, entwickelte das Forschungsteam ein neuartiges Molekül. Dessen spezielle Struktur verbessert den Ladungstransport auch auf rauen Oberflächen und schafft eine stabile Grenzfläche zwischen den Schichten.
Bei weiterführenden Analysen stießen die Forschenden auf einen unerwarteten Effekt: Eine handelsübliche SAM-Vorstufe enthielt minimale Mengen bromhaltiger Verunreinigungen. Diese erwiesen sich als vorteilhaft, da sie Defekte an der Grenzfläche ausgleichen und dadurch die Effizienz der Solarzellen erhöhen.
Der Projektleiter erläuterte, dass das Team selbst überrascht gewesen sei, wie stark sich eine so geringe chemische Veränderung auswirken könne. Daraus werde deutlich, wie entscheidend das präzise Zusammenspiel von Materialien auf molekularer Ebene für den Energieertrag moderner Solarzellen sei.
In der weiteren Entwicklung kombinierten die Forschenden bromierte und nicht bromierte Moleküle. Ziel war es, die positiven Effekte des Broms zu nutzen, ohne die chemische Stabilität zu gefährden. Die neu konzipierte SAM-Struktur führt zu einer dichteren Molekülanordnung und einer verbesserten Passivierung der Grenzfläche. Das Ergebnis sind höhere Wirkungsgrade, eine gesteigerte Stabilität und eine effizientere Extraktion der elektrischen Ladungen.
31,4 Prozent Wirkungsgrad
Durch diese gezielte Optimierung auf molekularer Ebene erreichte das Team einen Wirkungsgrad von 31,4 Prozent. Damit zählt die Forschungsgruppe zu den international führenden Akteuren im Bereich der Hochleistungs-Perowskit-Silizium-Tandemzellen. Besonders hervorzuheben ist, dass diese Effizienz auf industriell relevanten kristallinen Silizium-Bottom-Zellen erzielt wurde. Zusätzlich zeigte sich eine deutlich verbesserte Langzeitstabilität. Die dichtere Molekülpackung der neuen SAMs schützt die empfindliche Grenzfläche wirksam vor molekularen Schädigungen.
Als nächsten Schritt plane das Team, die Leistungsfähigkeit der Tandemzellen nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch in beschleunigten Alterungstests nachzuweisen. Diese sollen Aufschluss über das Verhalten der Zellen unter realistischen Umweltbedingungen geben. Parallel werde untersucht, wie sich die Technologie für Anwendungen in der Raumfahrt anpassen lasse, insbesondere für Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen. In diesem Bereich steige der Bedarf an leichten, leistungsstarken und strahlungsresistenten Solarzellen derzeit besonders stark.
Dieser Text basiert auf einer Pressemitteilung von Ludwig-Maximilians-Universität München/Veröffentlicht am 12.12.2025
