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Nanopartikel ebnen den Weg zu effizienteren Tandemsolarzellen
Eine dünne Passivierungsschicht kann Ladungsverluste in Tandemsolarzellen bremsen, zugleich aber den Stromtransport behindern. Ein chinesisches Team umgeht diesen Zielkonflikt mit verstreuten Zirkoniumdioxid-Nanopartikeln und erreicht damit im Labor 34,0 Prozent Wirkungsgrad. Ein unabhängig geprüftes Bauelement kam auf 2,014 Volt Leerlaufspannung und 33,5 Prozent stabilisierten Wirkungsgrad.
Suzhou (China). Perowskit-Silizium-Tandemzellen stapeln zwei unterschiedliche Halbleiter übereinander und können dadurch einen größeren Teil des Sonnenlichts nutzen als reine Siliziumzellen. Die obere Perowskitschicht nimmt vor allem energiereichere Lichtanteile auf, während das Silizium darunter längerwelliges Licht verwertet. Entscheidend für hohe Wirkungsgrade ist dabei nicht nur die Qualität beider Absorber, sondern auch der verlustarme Transport der erzeugten Ladungen durch ihre Kontakt- und Zwischenschichten.
Gerade an der sogenannten vergrabenen Grenzfläche der Perowskit-Teilzelle treten jedoch Verluste auf. Eine Passivierung kann Defekte und damit nichtstrahlende Rekombination verringern, bei der Elektronen und Löcher ihre Energie abgeben, ohne elektrischen Strom zu liefern. Eine geschlossene isolierende Schicht kann zugleich den Ladungstransport hemmen und damit einen Teil des gewonnenen Vorteils wieder aufheben.
Forscher der Soochow University um Prof. Jiang Liu haben deshalb eine unterbrochene Grenzschicht aus monoklinen Zirkoniumdioxid-Nanopartikeln entwickelt. Sie liegt zwischen einem transparenten leitfähigen Oxid und einer selbstorganisierten Molekülmonolage, kurz SAM, die Ladungsträger selektiv aus dem Perowskit abführt. Anders als eine geschlossene Isolierschicht bedecken die ZrO₂-Partikel nur Teile der Oberfläche und lassen dazwischen direkte Transportwege über die SAM frei.
Die Partikel verändern zugleich die Oberflächenenergie, sodass sich die flüssige Perowskit-Vorstufe gleichmäßiger auf der texturierten Unterlage verteilt und dichtere Filme mit größeren Kristallkörnern bildet. Messungen sprechen außerdem dafür, dass die ZrO₂-Bereiche lokale elektrische Schwankungen abschirmen und die nichtstrahlende Rekombination unterdrücken, während die unbedeckten Bereiche weiterhin Löcher ableiten.
Röntgen-Photoelektronenspektroskopie stützt die Bildung von Zr-O-P-Bindungen zwischen Zirkoniumdioxid und den Molekülen der Monolage, die zusammen mit deren Anbindung an das leitfähige Oxid eine doppelte Verankerung an der Grenzfläche bilden. Dieses Netzwerk stabilisiert die Molekülanordnung und verbessert nach den Messungen die Gleichmäßigkeit des Kontakts.
Die veränderte Grenzfläche zeigt sich auch in der Ladungsträgerdynamik, denn die mittlere Lebensdauer der angeregten Ladungsträger stieg in zeitaufgelösten Lumineszenzmessungen von 1,46 auf 2,81 Mikrosekunden. Mikroskopische und spektroskopische Untersuchungen ergaben zugleich gleichmäßigere Strom- und Oberflächenpotenzialverteilungen sowie eine günstigere energetische Anpassung für die Lochabfuhr.
Die beste Tandemzelle erreichte unter Laborbedingungen einen Wirkungsgrad von 34,0 Prozent. Ihre Leerlaufspannung lag bei 1,997 Volt, die Kurzschlussstromdichte bei 20,36 Milliampere pro Quadratzentimeter und der Füllfaktor bei 83,62 Prozent. Für ein weiteres Bauelement wurden unabhängig eine Leerlaufspannung von 2,014 Volt und ein stabilisierter Wirkungsgrad von 33,5 Prozent bestätigt.
Der Wert von 34,0 Prozent ist kein Effizienzrekord für Perowskit-Silizium-Tandemzellen. LONGi meldete im Juli 2026 für eine andere Tandemzelle einen von der European Solar Test Installation (ESTI) zertifizierten Wirkungsgrad von 35,5 Prozent. Der neue Ansatz zielt daher vor allem darauf, hohe Spannung, geringen Rekombinationsverlust und funktionierenden Ladungstransport an derselben Grenzfläche zusammenzubringen.
Für die Betriebsstabilität haben die Forscher verkapselte Zellen bei Raumtemperatur unter kontinuierlicher Beleuchtung mit der Intensität einer Sonne und bei Nachführung des maximalen Lei