Silvaco TCAD-modellering, optische simulatie en optimalisatie voor hoogstroom perovskiet- en u-CIGS-tandemzonnecellen met rendementen boven 30%

Schonere energie door slimmer zonlichtgebruik

Nu de wereld manieren zoekt om de koolstofuitstoot te verminderen terwijl de energievraag stijgt, staan zonnepanelen onder druk om meer uit elke zonnestraal te halen. Deze studie onderzoekt een nieuw type “tandem”zonnecel die twee geavanceerde lichtabsorberende materialen stapelt, met als doel meer elektriciteit uit hetzelfde zonlicht te winnen en tegelijk schaarse of giftige elementen zoals lood en indium te vermijden. Het werk gebruikt gedetailleerde computersimulaties om te laten zien hoe een dergelijk ontwerp realistisch rendementen boven 30% kan bereiken, een belangrijke stap voorbij de meeste panelen op daken vandaag.

Waarom het stapelen van zonne­lagen de prestaties verbetert

Conventionele zonnepanelen gebruiken een enkele lichtabsorberende laag, wat betekent dat ze alleen fotonen kunnen opvangen met genoeg energie om de energiekloof van dat materiaal te overbruggen. Fotons met hogere energie verliezen hun overtollige energie als warmte, en fotonen met lagere energie gaan erdoorheen, wat beide een verspilling van zonlicht betekent. Een tandemzonnecel pakt dit aan door twee verschillende absorbers op elkaar te stapelen. De bovenste laag is afgestemd op het meer blauwe, energievere deel van het spectrum, terwijl de onderste laag is afgestemd op het roodtere, energiearmere licht dat doorschiet. Omdat elke laag dichter bij zijn ideale energiebereik werkt, kan het gecombineerde apparaat een groter aandeel van het zonlicht omzetten in bruikbare elektriciteit.

Een groenere tandem bouwen: loodvrij en indiumvrij

De auteurs ontwerpen een tweelaags apparaat waarbij de bovenste cel is gemaakt van een loodvrije perovskiet genaamd methylammonium bismuthjodide (MBI), en de onderste cel een dunne film is van het bekende CIGS-halfgeleidermateriaal (koper‑indium‑galliumselenide). Om het gebruik van het schaarse indium in de transparante voorelectrode te vermijden, vervangen ze het veelgebruikte indiumtinoxide (ITO) door fluorbeslagen tinoxide (FTO). FTO omzeilt niet alleen leveringszorgen maar verdraagt ook hogere temperaturen en mechanische slijtage, waardoor het aantrekkelijk is voor grootschalige fabricage. De gesimuleerde enkele MBI-cel met FTO bereikt op zichzelf meer dan 15% rendement, wat een solide basis vormt om deze met de CIGS‑laag eronder te stapelen.

Hoe zorgvuldige afstemming hoge efficiëntie ontsluit

Het simpelweg op elkaar stapelen van cellen garandeert geen beter paneel: beide subcellen moeten dezelfde elektrische stroom leveren wanneer ze in serie geschakeld zijn, anders beperkt de zwakkere cel het hele apparaat. Om dit op te lossen gebruiken de onderzoekers een tweestaps numerieke zoektocht om de dikte van de MBI-laag fijn af te stemmen zodat de stroom van de boven- en ondercel binnen een kleine marge overeenkomt. Ze modelleren ook hoe licht reflecteert, interfereert en wordt geabsorbeerd terwijl het door elke laag reist — van de glasbedekking en FTO‑voorcontact, via de perovskiet en een zeer dun goudgebaseerd verbindingslaagje, tot in de CIGS-film en de metalen achtercontact. Tegelijkertijd berekenen ze hoe elektronen en gaten bewegen, recombineren en worden verzameld, met behulp van fysische modellen die gevalideerd zijn aan de hand van echte enkele‑celtentests.

Wat de simulaties over de tandemcel onthullen

Met deze details in acht genomen gebruikt het gesimuleerde tandemapparaat een MBI‑laag van ongeveer 420 nanometer dik bovenop een CIGS‑laag van 500 nanometer. De bovenste cel neemt bijna al het licht met golflengten korter dan ongeveer 650 nanometer op, terwijl fotonen met langere golflengte doorschieten en efficiënt door CIGS worden gevangen. Het resultaat is een gedeelde stroomdichtheid dichtbij 20 milliampère per vierkante centimeter in beide lagen. Onder geïdealiseerde aannames over materiaalkwaliteit en optische verliezen levert het model een opvallend vermogenconversierendement van ongeveer 36%. Wanneer de auteurs realistischere niveaus van defecten en interfaceverliezen inrekenen, daalt de prestatie tot rond 30%, nog steeds aanzienlijk boven de meeste commerciële enkelvoudige junction‑panelen en in lijn met de beste tandemprototypen die de laatste jaren zijn gerapporteerd.

Waarom deze aanpak belangrijk is voor toekomstige zonnepanelen

Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat slim ontwerp — in plaats van exotische nieuwe fysica — zonnepanelen ruim boven de huidige efficiëntiegrenzen kan duwen. Door een loodvrije perovskiet die is afgestemd op blauw licht bovenop een CIGS‑laag afgestemd op rood licht te stapelen, en door schaars indium te vervangen door robuuster FTO‑glas, schetsen de auteurs een route naar schonere, krachtiger en duurzamere zonnemodules. Hun simulaties fungeren als een routekaart en tonen welke laagdiktes, contactmaterialen en interfacekwaliteit het meest relevant zijn. Als materiaalkundigen deze condities in laboratorium en fabriek kunnen benaderen, zouden zonnepanelen die een derde of meer van het inkomende zonlicht in elektriciteit omzetten een praktische realiteit kunnen worden en zo helpen de wereldwijde energiebehoefte te dekken met minder panelen, minder landgebruik en lagere milieu-impact.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: tandemzonnecellen, perovskietfotovoltaïsche, CIGS dunne-film, <keyword>zonnecelsimulatie