Med hjälp av mikrostrukturerade lager, ett HZB-team har kunnat öka effektiviteten hos tandemsolceller från perovskit-kisel, uppnår 25,5 procent, vilket är det högsta publicerade värdet hittills. Teamet använde beräkningssimuleringar för att undersöka ljusomvandling i olika enhetsdesigner med olika nanostrukturerade ytor. Detta möjliggjorde optimering av ljushantering och detaljerade energiutbytesanalyser. Studien har nu publicerats i Energi- och miljövetenskap .

Tandemsolceller gjorda av kisel- och metallhalogenidperovskitföreningar kan omvandla en särskilt stor del av solspektrumet till elektrisk energi. Dock, en del av ljuset reflekteras och går därmed förlorat för energiomvandling. Använda nanostrukturer, reflektionen kan minskas avsevärt vilket säkerställer att solcellen fångar upp mer ljus. Till exempel, pyramidformade mikrofunktioner kan etsas in i kisel. Dock, dessa egenskaper orsakar mikroskopisk grovhet i kiselytan, vilket gör det inte längre lämpligt som substrat för avsättning av extremt tunna perovskitskikt. Detta beror på att perovskiter normalt avsätts på en polerad wafer med hjälp av lösningsbearbetning för att bilda en extremt tunn film, mycket tunnare än pyramidformerna. Ett grovetsat kiselytskikt förhindrar därför bildandet av ett enhetligt konformt skikt.

Effektiviteten förbättrades från 23,4 procent till 25,5 procent

Ett team som leds av HZB-fysikern Steve Albrecht har undersökt ett alternativt tillvägagångssätt för ljushantering med texturer i tandemsolceller. Teamet tillverkade en effektiv tandemenhet av perovskite/kisel vars kiselskikt etsades på baksidan. Perovskitskiktet kan appliceras genom spincoating på den släta framsidan av kislet. Teamet applicerade efteråt en polymer ljushanteringsfolie (LM) på framsidan av enheten. Detta möjliggjorde bearbetning av en högkvalitativ perovskitfilm på en plan yta, samtidigt som den drar nytta av texturen på framsidan. "På det här sättet, vi lyckades avsevärt förbättra effektiviteten hos en monolitisk perovskit-kisel heterojunction tandemcell från 23,4 procent till 25,5 procent ", säger Marko Jošt, första författare till studien och postdoktor i Albrechts team.

Numerisk modell visar möjlighet för upp till 32,5 procent

Dessutom, Jošt och kollegor har utvecklat en sofistikerad numerisk modell för komplexa 3D-funktioner och deras interaktion med ljus. Detta gjorde det möjligt för teamet att beräkna hur olika enhetsdesigner med texturer vid olika gränssnitt påverkar effektiviteten. "Baserat på dessa komplexa simuleringar och empiriska data, vi tror att en verkningsgrad på 32,5 procent realistiskt sett kan uppnås – om vi lyckas införliva högkvalitativa perovskiter med ett bandgap på 1,66 eV", säger Jošt.

Lämplig för att bygga integrerad PV

Och teamledaren Steve Albrecht tillägger:"Baserat på verkliga väderdata, vi kunde beräkna energiutbytet under loppet av ett år - för de olika celldesignerna och för tre olika platser." simuleringarna visar att LM-folien på framsidan av solcellsanordningen är särskilt fördelaktig vid diffus ljusbestrålning, dvs inte bara under vinkelrätt infallande ljus. Tandemsolceller med den nya LM-folien kan därför också vara lämpliga för inbyggnad i byggnadsintegrerad solcellsanläggning (BIPV), öppna upp stora nya områden för energigenerering från stora skyskrapor fasader.