Silvaco-TCAD-Modellierung, optische Simulation und Optimierung für hochstromfähige Perowskit- und u-CIGS-Tandem-Solarzellen mit Wirkungsgraden über 30 %

Sauberere Energie durch intelligenteres Sonnenlichtmanagement

Während die Welt nach Wegen sucht, CO2-Emissionen zu senken und zugleich den steigenden Energiebedarf zu decken, stehen Solarmodule unter dem Druck, aus jedem Sonnenstrahl mehr herauszuholen. Diese Studie untersucht einen neuen Typ von „Tandem“-Solarzelle, der zwei fortschrittliche lichtabsorbierende Materialien übereinanderstapelt, mit dem Ziel, aus derselben Sonneneinstrahlung mehr Strom zu gewinnen und dabei knappe oder toxische Elemente wie Blei und Indium zu vermeiden. Die Arbeit verwendet detaillierte Computersimulationen, um zu zeigen, wie ein solches Design realistisch Wirkungsgrade über 30 % erreichen könnte – ein großer Schritt über den meisten heute auf Dächern installierten Modulen.

Warum das Stapeln von Solar­schichten die Leistung verbessert

Konventionelle Solarmodule verwenden eine einzige lichtabsorbierende Schicht, sodass sie nur Photonen erfassen können, die genug Energie haben, um die Bandlücke dieses Materials zu überwinden. Höherenergetische Photonen verlieren ihre überschüssige Energie als Wärme, und niederenergetische Photonen passieren das Material ungenutzt — beides ist verschwendetes Sonnenlicht. Eine Tandem-Solarzelle begegnet diesem Problem, indem sie zwei verschiedene Absorber übereinander anordnet. Die obere Schicht ist so abgestimmt, dass sie den bläulicheren, energiereicheren Teil des Spektrums einfängt, während die untere Schicht darauf ausgelegt ist, das rötlichere, energieärmere Licht zu absorbieren, das durchdringt. Weil jede Schicht jeweils näher an ihrem idealen Energiebereich arbeitet, kann das kombinierte Bauteil einen größeren Anteil des Sonnenlichts in nutzbaren Strom umwandeln.

Ein grüneres Tandem bauen: blei- und indiumfrei

Die Autoren entwerfen ein zweischichtiges Device, bei dem die obere Zelle aus einem bleifreien Perowskit namens Methylammonium-Bismutiodid (MBI) besteht und die untere Zelle aus einem Dünnfilm des bekannten CIGS-Halbleiters (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid). Um den Einsatz des knappen Indiums in der transparenten Frontelektrode zu vermeiden, ersetzen sie das weit verbreitete Indiumzinnoxid (ITO) durch fluor-dotiertes Zinnoxid (FTO). FTO umgeht nicht nur Lieferengpässe, sondern verträgt auch höhere Temperaturen und mechanische Beanspruchung, was es für die großskalige Fertigung attraktiv macht. Die simulierte einzelne MBI-Zelle mit FTO erreicht für sich genommen über 15 % Wirkungsgrad und legt damit eine solide Grundlage für das Stapeln mit der darunterliegenden CIGS-Schicht.

Wie sorgfältiges Abstimmen hohe Effizienz freisetzt

Allein das Aufeinanderschichten zweier Zellen garantiert keine bessere Leistung: Beide Untezellen müssen im Serienschaltungsbetrieb denselben elektrischen Strom liefern, sonst begrenzt die schwächere Zelle das gesamte Bauteil. Um dies zu lösen, verwenden die Forschenden eine zweistufige numerische Suche, um die Dicke der MBI-Schicht so feinzujustieren, dass der Strom der oberen und unteren Zelle bis auf eine sehr geringe Differenz übereinstimmt. Sie modellieren außerdem, wie Licht reflektiert, interferiert und absorbiert wird, während es jede Schicht durchquert — vom Glasträger und der FTO-Frontkontaktierung über das Perowskit und einen sehr dünnen goldbasierten Verbinder bis hinunter zur CIGS-Schicht und der metallischen Rückkontaktierung. Zeitgleich berechnen sie, wie Elektronen und Löcher sich bewegen, rekombinieren und gesammelt werden, mithilfe physikalischer Modelle, die gegen reale Einzelzell-Experimente validiert sind.

Was die Simulationen über die Tandemzelle offenbaren

Mit diesen Details verwendet das simulierte Tandemgerät eine MBI-Schicht von etwa 420 Nanometern Dicke auf einer 500 Nanometer dicken CIGS-Schicht. Die obere Zelle absorbiert nahezu das gesamte Licht mit Wellenlängen kürzer als etwa 650 Nanometer, während Photonen mit längeren Wellenlängen durchdringen und effizient vom CIGS eingefangen werden. Das Ergebnis ist eine gemeinsame Stromdichte von nahe 20 Milliampere pro Quadratzentimeter in beiden Schichten. Unter idealisierten Annahmen zur Materialperfektion und zu optischen Verlusten ergibt das Modell einen beeindruckenden Wirkungsgrad von ungefähr 36 %. Wenn die Autorinnen und Autoren realistischere Werte für Defekte und Grenzflächenverluste ansetzen, pendelt die Leistung bei rund 30 %, immer noch deutlich über den meisten kommerziellen Einzeljunction-Modulen und in Übereinstimmung mit den besten in den letzten Jahren berichteten Tandem-Prototypen.

Warum dieser Ansatz für künftige Solarmodule wichtig ist

Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: Intelligentes Design — und nicht exotische neue Physik — kann Solarmodule weit über die heutigen Effizienzgrenzen hinaustreiben. Durch das Stapeln eines blei-freien Perowskites, das auf blaues Licht abgestimmt ist, über einer auf rotes Licht abgestimmten CIGS-Schicht und durch den Ersatz von knappem Indium durch robustes FTO-Glas skizzieren die Autoren einen Weg zu saubereren, leistungsfähigeren und nachhaltigeren Solarmodulen. Ihre Simulationen dienen als Fahrplan und zeigen, welche Schichtdicken, Kontaktmaterialien und Grenzflächenqualitäten am wichtigsten sind. Wenn Materialwissenschaftler diese Bedingungen im Labor und in der Fertigung annähern können, könnten Solarmodule, die ein Drittel oder mehr der eingehenden Sonnenenergie in Strom umwandeln, praktisch realisierbar werden und so helfen, den globalen Energiebedarf mit weniger Modulen, weniger Fläche und geringerem Umwelteinfluss zu decken.

Zitation: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

Schlüsselwörter: Tandem-Solarzellen, Perowskit-Photovoltaik, CIGS-Dünnschicht, Bleifreie Solar­materialien, Solarzellen-Simulation