Met behulp van microgestructureerde lagen, een HZB-team heeft de efficiëntie van perovskiet-silicium tandemzonnecellen kunnen verhogen, het behalen van 25,5 procent, wat de hoogste gepubliceerde waarde tot nu toe is. Het team gebruikte computationele simulaties om lichtconversie te onderzoeken in verschillende apparaatontwerpen met verschillende nanogestructureerde oppervlakken. Dit maakte optimalisatie van het lichtmanagement en gedetailleerde analyses van de energieopbrengst mogelijk. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen .

Tandemzonnecellen gemaakt van silicium en metaalhalogenide perovskietverbindingen kunnen een bijzonder groot deel van het zonnespectrum omzetten in elektrische energie. Echter, een deel van het licht wordt gereflecteerd en gaat dus verloren voor energieconversie. Met behulp van nanostructuren, de reflectie kan aanzienlijk worden verminderd waardoor de zonnecel meer licht opvangt. Bijvoorbeeld, piramidevormige microfuncties kunnen in silicium worden geëtst. Echter, deze kenmerken veroorzaken microscopische ruwheid in het siliciumoppervlak, waardoor het niet meer geschikt is als ondergrond voor het afzetten van extreem dunne perovskietlagen. Dit komt omdat perovskieten normaal gesproken worden afgezet op een gepolijste wafel met behulp van oplossingsverwerking om een ​​extreem dunne film te vormen, veel dunner dan de piramidale kenmerken. Een ruw geëtste oppervlaktelaag van silicium verhindert daarom de vorming van een uniforme conforme laag.

Efficiëntie verbeterd van 23,4 procent naar 25,5 procent

Een team onder leiding van HZB-natuurkundige Steve Albrecht heeft een alternatieve benadering van lichtmanagement onderzocht met texturen in tandemzonnecellen. Het team fabriceerde een efficiënt perovskiet/silicium tandemapparaat waarvan de siliciumlaag op de achterkant was geëtst. De perovskietlaag zou kunnen worden aangebracht door spincoating op de gladde voorzijde van het silicium. Het team bracht daarna een polymeer lichtmanagement (LM) folie aan op de voorkant van het apparaat. Hierdoor kon een hoogwaardige perovskietfilm op een vlakke ondergrond worden verwerkt, terwijl het nog steeds profiteert van de textuur aan de voorkant. "Op deze manier, we zijn erin geslaagd de efficiëntie van een monolithische perovskiet-silicium heterojunctie tandemcel aanzienlijk te verbeteren van 23,4 procent naar 25,5 procent", zegt Marko Jost, eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker in het team van Albrecht.

Numeriek model toont mogelijkheid tot 32,5 procent

In aanvulling, Jošt en collega's hebben een geavanceerd numeriek model ontwikkeld voor complexe 3D-functies en hun interactie met licht. Hierdoor kon het team berekenen hoe verschillende apparaatontwerpen met texturen op verschillende interfaces de efficiëntie beïnvloeden. "Op basis van deze complexe simulaties en empirische gegevens, we geloven dat een efficiëntie van 32,5 procent realistisch kan worden bereikt - als we erin slagen om perovskieten van hoge kwaliteit op te nemen met een band gap van 1,66 eV", zegt Jost.

Geschikt voor het bouwen van geïntegreerde PV

En teamleider Steve Albrecht voegt toe:"Op basis van echte weergegevens we hebben de energieopbrengst in de loop van een jaar kunnen berekenen - voor de verschillende celontwerpen en voor drie verschillende locaties." de simulaties tonen aan dat de LM-folie aan de voorkant van het zonnecelapparaat bijzonder voordelig is bij diffuse lichtinstraling, d.w.z. niet alleen bij loodrecht invallend licht. Tandemzonnecellen met de nieuwe LM-folie zouden daarom ook geschikt kunnen zijn voor inbouw in gebouwgeïntegreerde fotovoltaïsche systemen (BIPV), het openen van enorme nieuwe gebieden voor energieopwekking uit grote wolkenkrabbergevels.