Forscher des deutschen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) haben ein rein elektrisches Verfahren entwickelt, mit dem sich die Ströme beider Teilzellen in Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen innerhalb von Millisekunden bestimmen lassen. Der Ansatz nutzt das der Silizium-Bodenzelle innewohnende kapazitive Ladungsreservoir.
„Perowskit-Silizium-Tandemzellen stehen kurz vor der Serienreife, doch den Herstellern fehlte bislang eine Möglichkeit, das Strombalanceverhältnis zwischen den beiden Teilzellen bei Produktionsgeschwindigkeit zu überprüfen“, erklärte der Leiter des Forschungsprojekts, Christoph Messmer, gegenüber pv magazine. „Bestehende Verfahren wie die spektrale Antwort oder die spektrometrische Analyse dauern Stunden und erfordern komplexe optische Aufbauten, wodurch sie für die Inline-Qualitätskontrolle ungeeignet sind. Unsere Methode schließt diese Lücke: Sie ermittelt beide Teilzellströme innerhalb von Millisekunden und nutzt dabei lediglich den Standard-Strom-Spannungs-Test, der ohnehin bereits an jeder Zelle durchgeführt wird.“
„Der Kerngedanke besteht darin, das kapazitive Ladungsreservoir der Silizium-Boden-Zelle selbst zu nutzen“, so Messmer. „Eine kurze Vorspannung in Durchlassrichtung lädt dieses Reservoir auf, und ein anschließender Spannungssprung löst einen Stromüberschwinger aus. Die Analyse dieses transienten Vorgangs zeigt ein durch Perowskit begrenztes Plateau, gefolgt von einem durch Silizium begrenzten stationären Zustand – wodurch wir beide Teilzellströme aus einer einzigen Messung im Millisekundenbereich erhalten. Da die Methode keine zusätzliche Hardware, Lichtquellen oder Spektralfilter erfordert, lässt sie sich direkt in bestehende Inline-Prüfsysteme integrieren. Dies ermöglicht erstmals eine 100-prozentige Inline-Probenahme, wodurch Hersteller Abweichungen bei der Perowskit-Abscheidung oder Schwankungen im optischen Stapel in Echtzeit erkennen können, bevor diese zu Ertragsverlusten führen.“
In dem in der Fachzeitschrift „Joule“ veröffentlichten Artikel „Inline-Messung von Subzellströmen im Millisekundenbereich für Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen“ erklärten Messmer und seine Kollegen, dass die untere Siliziumzelle typischerweise den stationären Strom begrenzt, wenn sie weniger Photostrom erzeugt als die obere Perowskit-Zelle. Ihre Methode hebt diese Begrenzung vorübergehend auf, indem zunächst eine Vorwärtsspannung – idealerweise nahe der Leerlaufspannung – angelegt wird, um überschüssige Ladung in der Siliziumzelle zu speichern.
Es folgt ein schnelles Umschalten auf eine niedrigere Spannung, wodurch sich die gespeicherte Ladung entlädt. Während dieses kurzen Zeitraums verhindert der zusätzliche Entladestrom, dass die Siliziumzelle den Tandemstrom begrenzt, sodass der gemessene Strom direkt dem Strom der Perowskit-Teilzelle entspricht.
Sobald die gespeicherte Ladung aufgebraucht ist, wirkt die Siliziumzelle wieder als Strombegrenzer, und der gemessene Strom sinkt auf den Wert des Silizium-Teilzellstroms. Anhand der beiden Strompegel lassen sich daher die Ströme der Perowskit- und der Silizium-Teilzelle in einem Tandem-Bauelement mit zwei Anschlüssen getrennt bestimmen.
Die Wissenschaftler testeten die Methodik anhand von Simulationen und Experimenten. Ihre Simulationen zeigten, dass der Tandemstrom nach einer Vorkonditionierung im offenen Stromkreis und einem schnellen Übergang in den Kurzschlusszustand zwei deutlich voneinander getrennte Plateaus aufweisen kann. Das erste entspricht dem Perowskit-Strom, während das zweite erst nach der Entleerung des Silizium-Ladungsreservoirs auftritt und dem Silizium-Strom entspricht. Die Zeitspanne zwischen den beiden Plateaus hängt von der Stromdifferenz zwischen den Teilzellen ab.
Die Forscher demonstrierten die Methode zunächst experimentell an einer kleinen, selbst hergestellten Tandemzelle und testeten sie anschließend an einem industriellen Exemplar in Originalgröße. Bei der industriellen Zelle erzeugten schnelle Scans von etwa 7 bis 12 Millisekunden zwei deutliche Plateaus, die weitgehend mit den Teilzellströmen übereinstimmten, die durch herkömmliche spektrometrische Charakterisierung ermittelt wurden – ein Verfahren, das mehr als eine Stunde in Anspruch nimmt.
Für praktische Messungen lässt sich das Verfahren in einen standardmäßigen schnellen Reverse-J-V-Scan integrieren. Wird der Scan im Millisekundenbereich durchgeführt, erzeugt die Entladung des Silizium-Reservoirs die beiden Strompegel, sodass beide Subzellenströme in einer einzigen Messung bestimmt werden können. Der Ansatz funktioniert jedoch nur, wenn die Siliziumzelle strombegrenzend ist. Wenn die Perowskit-Zelle den Tandemstrom bereits begrenzt, tritt nur ein Plateau auf und der Siliziumstrom bleibt verborgen.
„Aus fertigungstechnischer Sicht wird eine 100-prozentige Inline-Erfassung der Teilzellströme möglich, was statistische Prozesskontrollkarten ermöglicht, die Abweichungen bei der Perowskit-Abscheidung – Dicke, Zusammensetzung, Morphologie – oder Schwankungen im optischen Stapel erkennen, bevor sie zu Ertragsverlusten führen“, schlussfolgerten die Wissenschaftler. „Da die Messung ausschließlich Vorspannungsbedingungen nutzt, die bereits bei Standard-J–V-Tests vorhanden sind, erfordert die Integration in bestehende Testgeräte keine Hardware-Modifikationen, sondern lediglich eine Anpassung des Scan-Protokolls auf Firmware-Ebene.“
„Das zugrunde liegende Prinzip der neuen Messtechnik beschränkt sich nicht auf Perowskit-Silizium-Tandems“, fügte Messmer hinzu. „Es gilt für jede Multijunction-Architektur, bei der eine obere Zelle mit direkter Bandlücke mit einer unteren Zelle mit indirekter Bandlücke kombiniert wird, einschließlich III–V-Silizium-Tandems und Triple-Junction-Zellen.“