Ein Forschungsteam der National University of Singapore hat eine neuartige Perowskit-organische Tandem-Solarzelle entwickelt, die einen Wirkungsgrad von 26.4 % auf einer aktiven Fläche von einem Quadratzentimeter erreicht und damit einen neuen Weltrekord für derartige Bauelemente aufstellt. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe von Nature veröffentlicht.

Das Team betonte, dass die neu entwickelte Tandemzelle ultradünn und flexibel sei und so künftig direkt in KI-betriebene Geräte wie Drohnen, intelligente Textilien und tragbare Geräte integriert werden könne, um saubere Energie bereitzustellen.

Bahnbrechende Innovation: Organischer Absorber mit schmaler Bandlücke

Kernstück dieser Entwicklung ist der bahnbrechende organische Absorber des Teams mit schmaler Bandlücke. Als präzise „Photonenfalle“ fängt er effizient Photonen im Nahinfrarotbereich (NIR) ein und überwindet damit erfolgreich einen langjährigen technischen Engpass bei der Entwicklung von Dünnschicht-Tandem-Solarzellen.

Während die einstellbaren Bandlücken von Perowskit- und organischen Halbleitermaterialien das Potenzial bieten, die theoretischen Effizienzgrenzen zu überschreiten, hat die geringe NIR-Absorption den Fortschritt dauerhaft behindert.

Innovatives Moleküldesign

Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelte das Team einen asymmetrischen organischen Akzeptor. Diese Struktur erweitert nicht nur den Lichtabsorptionsbereich bis in den tiefen Nahinfrarotbereich, sondern gewährleistet auch eine ausreichende Ladungstrennungsantriebskraft und ermöglicht gleichzeitig eine hochgeordnete Molekülanordnung. Mittels ultraschneller Spektroskopie und physikalischer Geräteanalyse bestätigte das Team, dass dieses Design eine effiziente Ladungssammlung bei minimalem Energieverlust ermöglicht.

Geräteintegration und Leistung

In der Praxis stapelten die Forscher diese leistungsstarke organische Subzelle mit einer oberen Perowskitzelle und integrierten sie über eine transparente leitfähige Oxidzwischenschicht. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehören:

● 27.5 % PCE für ein 0.05 cm2 großes Mikrogerät

● 26.7 % PCE für ein Standardgerät mit 1 cm2

● 26.4 % unabhängig zertifizierter Wirkungsgrad für die 1 cm2-Zelle

Diese Leistung bricht nicht nur den Rekord im Perowskit-Organik-Tandem, sondern übertrifft auch Perowskit-CIGS- und Single-Junction-Perowskit-Zellen gleicher Größe.