RIESEN - Rekordeffizienzen für beidseitig kontaktierte Silicium-Solarzellen und Pero-Pero-Si Dreifachsolarzellen

Abstract

Ziel des Vorhabens RIESEN war die Entwicklung einer monolithischen 2-Terminal-Perowskit/Perowskit/Silicium-Dreifachsolarzelle mit einem angestrebten Wirkungsgrad von 33 %. Aufbauend auf industrienahen Zellarchitekturen sollten das technologische Limit der Silicium-Unterzelle ausgereizt sowie Perowskit-Absorber mit angepassten Bandlücken für die Mittel- und Oberzelle einschließlich geeigneter Verbindungsschichten entwickelt werden. Als Unterzelle wurde die beidseitig passivierende TOPCon2-Architektur optimiert und erreichte iVOC-Werte über 730 mV; ein Annealprozess kompensierte dabei die durch das TCO-Sputtern verursachte Schädigung. Für die Perowskit-Teilzellen wurden Absorber mit angepassten Bandlücken (Oberzelle ~1,83 eV, Mittelzelle ~1,56 eV) realisiert. Verbesserte Zusammensetzungen (Dreifachhalid mit Chlorid), optimierte Grenzflächenpassivierung (Piperaziniumiodid) und angepasste Kontaktschichten (SAM/SiO₂, PCBM) steigerten VOC und Effizienz deutlich. Die ursprüngliche dünne Au-Rekombinationsschicht zwischen den Perowskit-Zellen wurde durch einen transparenten, lösungsmittelstabilen SnOx/ITO-TCO-Stapel ersetzt. Ergänzend wurden umfassende Charakterisierungs- und Simulationsmethoden für Dreifachsolarzellen entwickelt und validiert, darunter teilzellselektive EQE- und iVOC-Messverfahren, eine auf Dreifachstrukturen erweiterte spektrometrische Metrik, ortsaufgelöste Defektanalytik sowie physikbasierte Ertragsmodellierung. Die Integration aller Komponenten führte zu reproduzierbaren Perowskit/Perowskit/Si-Dreifachsolarzellen. Der höchste erreichte Wirkungsgrad betrug 23,5 % (TOPCon2-Unterzelle, CsMAFA(I,Cl)-Mittelzelle, Dreifachhalid-Oberzelle) und lag damit gleichauf zur SHJ-Referenz. Das Projekt schuf zentrale Technologiekompetenzen und messtechnische Infrastruktur für die zukünftige Entwicklung hocheffizienter Mehrfachsolarzellen und stärkt damit den PV-Forschungs- und Produktionsstandort Deutschland/Europa.