Antimonoxid-Pufferlage für ein- und zweizellige Perowskit-basierte Solarzellen

Neue Wege, mehr Sonnenlicht einzufangen

Solarmodule nähern sich ihren physikalischen Grenzen, sodass selbst ein kleiner zusätzlicher Anteil des einfallenden Lichts spürbar günstigere Kosten für saubere Energie bringen kann. Diese Studie zeigt, wie ein wenig bekanntes Material, Antimonoxid, hochmoderne Perowskit–Silizium-Solarzellen sowohl effizienter als auch leichter in nützlichen Größen herstellbar machen kann.

Warum heutige Tandemsolarzellen Licht verschwenden

Einige der leistungsfähigsten Solarzellen stapeln eine Perowskitzelle über einer Siliziumzelle, sodass jede einen anderen Teil des Sonnenspektrums absorbiert. Zwischen diesen Schichten liegen ultradünne Filme, die elektrische Ladungen leiten und empfindliche Materialien während der Verarbeitung schützen. Ein häufig verwendetes Puffer­material, eine Form von Zinnoxid, die schichtweise atomar abgeschieden wird, erfüllt diese Aufgabe gut, reagiert aber chemisch mit der Perowskitschicht. Um die Perowskite zu schützen, mussten Ingenieure eine dickere Schicht eines kohlenstoffbasierten Materials namens Fullerene aufbringen. Diese zusätzliche Dicke absorbiert jedoch nützliches blaues und violettes Licht, bevor es die aktiven Schichten erreicht, und raubt dem Bauteil stillschweigend Strom und Effizienz.

Eine sanftere Schutzschicht, die mehr Licht durchlässt

Die Forscher ersetzten die reaktive Zinnoxid­schicht durch einen Antimonoxidfilm, der durch einfache thermische Verdampfung aufgebracht wurde. Bei diesem Verfahren wird das pulverisierte Material schonend in Dampf überführt und als glatte Beschichtung kondensiert, wodurch die aggressive Chemie vermieden wird, die Perowskite schädigt. Da Antimonoxid die darunterliegende Schicht weniger beeinträchtigt, kann die Fullerenschicht über dem Perowskit von 15 Nanometern auf nur 5 Nanometer reduziert werden, ohne Stabilität zu opfern. Dünnere Fullerenschichten bedeuten weniger parasitäre Absorption im Wellenlängenbereich von 300 bis 560 Nanometern, sodass mehr kurzwelliges Licht vom Perowskit-Top-Zellenteil in Strom umgewandelt werden kann.

Versteckte Autobahnen für elektrische Ladungen

Bei genauerem Hinsehen mit Elektronenmikroskopen und speziellen elektrischen Sonden stellten die Forscher fest, dass der Antimonoxidfilm nicht gleichmäßig glasig ist. Stattdessen kombiniert er amorphe Bereiche mit winzigen geordneten Kristallen. Diese Nanokristalle richten sich so aus, dass sie vertikale Pfade für Elektronen bilden, während das umgebende amorphe Material eher isolierend bleibt. Zusätzliche Messungen deuten darauf hin, dass Defekte, die mit Antimonatomen verbunden sind, Energiezustände schaffen, die Elektronen helfen, die Energiebarriere zwischen den Schichten zu überwinden. Zusammen ermöglichen diese Eigenschaften, dass sich Ladungen schnell in der gewünschten Richtung durch den Puffer bewegen, während seitliche Leckströme unterdrückt werden.

Von Zellen im Laborformat zu größeren Modulen

Um zu zeigen, dass Antimonoxid praktisch einsetzbar ist, testeten die Forscher es sowohl in einzelnen Perowskitzellen als auch in vollständigen Perowskit–Silizium-Tandems. Einzellzellen mit verschiedenen Bandlücken erreichten alle hohe Wirkungsgrade über 22 Prozent, die beste bei 23,18 Prozent, und damit vergleichbar mit modernen Zinnoxid­geräten, die mit ähnlichen Methoden hergestellt wurden. In Tandemzellen mit einer Fläche von einem Quadratzentimeter erhöhte die neue Pufferschicht die Stromumwandlungseffizienz auf 30,28 Prozent, hauptsächlich durch eine Erhöhung des Stroms der oberen Perowskitzelle um etwa 1 Milliampere pro Quadratzentimeter. Entscheidend ist, dass sich der Ansatz gut skalieren ließ: Ein vollständig verkapseltes Modul mit einer Aperturfläche von 64,64 Quadratzentimetern erreichte 28,16 Prozent Effizienz, mit einem unabhängig zertifizierten Wert von 27,70 Prozent, und zeigte nur geringe Degradation während längerer Licht- und Hitzetests.

Was das für zukünftige Solarmodule bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Hauptbotschaft: Eine subtile Änderung in einer nahezu unsichtbaren Schicht einer Solarzelle kann sich in spürbaren Zuwächsen bei der Sonnenergienutzung niederschlagen, ohne die Herstellung komplexer oder fragiler zu machen. Antimonoxid bietet eine Möglichkeit, Perowskitschichten schonend zu schützen, dabei mehr Licht hereinzulassen und Ladungen effizient zu transportieren, sowohl in kleinen Testzellen als auch in größeren Modulen. Diese Kombination aus höherer Effizienz, guter Stabilität und geringeren Verarbeitungskosten weist auf Tandemsolarmodule hin, die über 35 Prozent Effizienz erreichen und für den breiten kommerziellen Einsatz attraktiv werden könnten.

Zitation: Shi, B., Sunli, Z., Liu, P. et al. Antimony oxide buffer layer for single- and double-junction perovskite-based solar cells. Nat Commun 17, 4394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70848-8

Schlüsselwörter: Perowskit-Solarzellen, Tandemsolarzellen, Antimonoxid, Pufferschicht, Solareffizienz