Perowskit und Silizium: Licht auf zwei Zellen verteilen

Licht bringt unterschiedliche Energien mit

Sonnenlicht enthält Photonen mit verschiedenen Energien. Ein einzelner Halbleiter kann damit nicht beliebig umgehen: Ein Teil des Lichts passt nicht zur benötigten Anregung, bei energiereicherem Licht wird nicht die gesamte Energie als elektrische Arbeit nutzbar. Eine Tandemzelle verteilt die Aufgabe auf abgestimmte Teilzellen.

Im Modell liegen zwei Absorber übereinander. Die obere Teilzelle nutzt einen anderen Bereich des Spektrums als die untere. Entscheidend ist ihre Ergänzung: Was die obere Schicht durchlässt, soll zur unteren passen. Zwei zufällig gestapelte Solarzellen liefern diese Abstimmung noch nicht. Materialeigenschaften und optischer Aufbau müssen gemeinsam gedacht werden. Die Absorber-Erklärung des DOE

2009: Ein früher photovoltaischer Nachweis

Kojima und seine Mitautoren verwendeten Metallhalid-Perowskite 2009 als sichtbares Licht absorbierende Sensibilisatoren in photovoltaischen Zellen. Die Untersuchung betraf photoelektrochemische Aufbauten mit Titandioxid. Die ursprüngliche Arbeit von 2009 Sie war noch keine Perowskit-Silizium-Tandemzelle.

Perowskit bezeichnet hier eine Familie von Materialien mit verwandter Kristallstruktur und veränderbarer Zusammensetzung. Gemeint ist also nicht, dass ein bestimmtes natürliches Mineral einfach auf eine fertige Solarplatte gestreut wird. Die historische Station eröffnet einen Materialweg, der anschließend weitere Zellarchitekturen und Verarbeitungsverfahren benötigt.

2015/2016: Ein gemeinsamer Aufbau

Albrecht und sein Team berichteten über monolithische Perowskit-Silizium-Heterojunction-Tandemzellen, deren obere Zelle bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen hergestellt wurde. Die Veröffentlichung erschien online 2015 und im Jahrgang 2016. Ihr Aufbau erreichte 18 Prozent Wirkungsgrad. Die Tandemarbeit

Monolithisch bedeutet hier, dass die Teilzellen zu einer verbundenen Zellarchitektur zusammengeführt sind. Transparente Kontakte, Reflexionen und Lichtverluste wurden dadurch zu wichtigen Fragen. Bei der untersuchten Reihenschaltung muss auch die Stromerzeugung der Teilzellen zueinander passen: Ein begrenzender Teil beeinflusst das gemeinsame Ergebnis. Eine gute einzelne Schicht ist deshalb noch kein guter Gesamtaufbau.

2020: Ladungen müssen herauskommen

Al-Ashouri und seine Mitautoren beschrieben 2020 eine monolithische Tandemzelle mit zertifizierten 29,15 Prozent Wirkungsgrad. Eine verbesserte Abführung von Löchern an der Grenzfläche verringerte Verluste durch nichtstrahlende Rekombination. Die Originalarbeit von 2020

Die Zahl bezeichnet einen historischen geprüften Zellwert, keinen heutigen Weltrekord und keinen garantierten Ertrag jeder Dachanlage. Das eigentliche Erkenntnismotiv ist auch ohne Rekordliste wichtig: Lichtabsorption und Gewinnung elektrischer Energie sind verbundene, aber verschiedene Schritte. Eine Ladung, die im Material entsteht, muss die passende Elektrode erreichen können. Deshalb gehören Grenzflächen zum aktiven Entwurf.

Aus der Laborzelle soll ein beständiges Modul werden

Das US-Energieministerium nennt Stabilität, Wirkungsgrad bei größerer Fläche, Herstellung und verlässliche Validierung als zentrale Forschungsaufgaben. Feuchtigkeit, Sauerstoff, Licht, Wärme und elektrische Beanspruchung können zusammenwirken. Dabei betrifft Alterung sowohl den Absorber als auch weitere Schichten und Kontakte. Die technischen Forschungsfragen

Ein kurzer Test beantwortet eine andere Frage als viele Betriebsjahre. Ebenso ist eine kleine gleichmäßige Fläche leichter vollständig zu charakterisieren als ein großes Modul mit zahlreichen verbundenen Zellen. Für den Besucher lohnt sich daher der Blick auf drei verschiedene Angaben: geprüfte Fläche, Prüfbedingungen und Beobachtungsdauer. Sie machen die Bedeutung eines Wirkungsgrads erst vergleichbar.

Was würdest du als Nächstes messen?

Ein erfundenes Beispiel: Zwei Laborzellen erzielen am ersten Tag denselben Wirkungsgrad. Eine wurde danach über längere Zeit wechselnden Bedingungen ausgesetzt, die andere nur erneut im Ausgangszustand gemessen. Aus dem gleichen Anfangswert folgt noch keine gleiche Beständigkeit. Ein sinnvoller Vergleich braucht den gemeinsamen Prüfrahmen.

Die Tandemzelle zeigt damit ein Muster dieses Raums. Ein Fortschritt kann real sein, obwohl weitere Nachweise fehlen. Gerade die Trennung der Fragen macht sichtbar, was bereits gelungen ist. Beim Fusionsversuch begegnet dir dieselbe Sorgfalt als Frage nach der Grenze einer Energiebilanz.

Begriffe verstehen

Quellen und Nachweise

Die Quellen sind den Aussagen im Text zugeordnet. Originalstudien, Sammlungstexte und eigene Einordnung erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Einige Fachtexte sind beim Verlag nur teilweise frei zugänglich.

1. Perowskit als lichtempfindliches Material

   Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. (2009): Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. JACS. DOI 10.1021/ja809598r.

   Die photoelektrochemischen Zellen von 2009 sind keine Silizium-Tandemzellen.

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2. Perowskit und Silizium gemeinsam verarbeiten

   Albrecht, S. et al. (online 2015, Jahrgang 2016): Monolithic perovskite/silicon-heterojunction tandem solar cells processed at low temperature. Energy & Environmental Science. DOI 10.1039/C5EE02965A.

   Konkrete monolithische Heterojunction-Architektur; kein allgemeiner Erstanspruch für sämtliche Tandemzellen.

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3. Ladungen an der Grenzfläche besser abführen

   Al-Ashouri, A. et al. (2020): Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction. Science. DOI 10.1126/science.abd4016.

   29,15 Prozent zertifizierter historischer Zellwert. Ein kurzer Stabilitätstest belegt keine jahrzehntelange Modullebensdauer.

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4. Was eine Perowskitzelle dauerhaft leisten muss

   U.S. Department of Energy: Perovskite Research Directions.

   Nur technische Herausforderungen verwendet; ältere Rekord- und Marktzahlen nicht als aktueller Stand übernommen.

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5. Absorber für verschiedene Bereiche des Lichts

   U.S. Department of Energy: Perovskite Solar Cells.

   Für das physikalische Grundprinzip verwendet. Rekord- und Marktzahlen nicht als aktueller Stand übernommen.

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Redaktion: Benjamin Metzig. Erste vollständige Fassung. Recherche- und Bearbeitungsstand: 5. September 2026. Generative KI diente als Werkzeug für Text und Bild.