Am 3. März 2026 präsentierten Forscher des Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS) eine 16 cm² große Perowskit -Silizium-Tandemsolarzelle, die dank einer doppelseitigen TOPCon -Architektur (DS-TOPCon) eine zertifizierte Leistungsumwandlungseffizienz von 22,1 % erreichte. Die Arbeit kombiniert eine verbesserte Passivierung, ein symmetrisches Kontaktdesign und vollständig screen-gedruckte Metallkontakte, um industrielle Fertigungskompatibilität zu demonstrieren – ein entscheidender Schritt hin zur kommerziellen Realisierung hocheffizienter Tandem-Photovoltaik.
Seiteninhalte
- Ergebnisse der 16 cm² DS-TOPCon-Tandemzelle
- Doppelseitige TOPCon-Technologie – Funktionsweise und Vorteile
- Industrielle Fertigungskompatibilität
- Vergleich mit anderen SERIS-Erfolgen
- Stabilität und Langzeitbetrieb
- Marktperspektive und urbane Anwendungen
- Risiken und Gegenargumente
- FAQ
- Was ist double-sided TOPCon (DS-TOPCon) und wie unterscheidet es sich von Standard-TOPCon?
- Warum gilt eine Effizienz von 22,1 % als Meilenstein, obwohl SERIS höhere Werte in anderen Tandem-Architekturen erzielt hat?
- Welche Fertigungsvorteile bietet DS-TOPCon für Perowskit-Silizium-Tandems?
- Wann werden Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen voraussichtlich kommerziell verfügbar sein?
- Wie langlebig sind diese Tandemzellen im realen Einsatz?
- Fazit
Ergebnisse der 16 cm² DS-TOPCon-Tandemzelle
Die wichtigsten Kenngrößen des Prototyps lauten:
- Leistungsumwandlungseffizienz (PCE): 22,1 %
- Aktive Zellfläche: 16 cm²
- Offen-Circuit-Spannung (Uoc): 1,727 V
- Kurz-Circuit-Stromdichte (Jsc): 17,9 mA cm⁻²
- Füllfaktor (FF): 71,7 %
- Effizienz der unteren TOPCon-Zelle: 16,7 %
Die Kombination aus hoher Spannung und verbessertem Füllfaktor resultiert aus der Reduktion von Rekombinationsverlusten durch die doppelseitige Passivierung.
Doppelseitige TOPCon-Technologie – Funktionsweise und Vorteile
Unterschied zu einseitiger TOPCon (SS-TOPCon)
Standard-TOPCon verwendet eine stark boron-dotierte Vorderfläche und einen Phosphor-dotierten Polysilizium-Stack auf der Rückseite. Bei DS-TOPCon wird die vordere Boron-Emitter-Schicht durch ein Silizium-Oxid-Layer (SiOx) und boron-dotiertes Polysilizium ersetzt. Dieser symmetrische Aufbau reduziert Rekombination, erhöht die offene Spannung und verbessert den Füllfaktor.
- Reduzierte Rekombination an beiden Kontaktseiten
- Symmetrische, voll passivierte Struktur erhöht mechanische Stabilität
- Ermöglicht flexible Perowskit-Deposition (nip oder pin)
- Komplexere und kostenintensivere Fertigung im Vergleich zu SS-TOPCon
Industrielle Fertigungskompatibilität
Der Prototyp wurde mit ausschließlich industrietauglichen Prozessen realisiert:
- Verwendung von M2-großen Cz-Silizium-Wafern, die industriell üblich sind
- Screen-gedruckte Silber-Kontakte, bei 200 °C ausgehärtet
- Heißes ITO-Sputtern (ca. 75 nm) auf beiden Seiten mittels industrieller DC-Magnetron-Werkzeuge
- Low-Pressure Chemical Vapour Deposition (LPCVD) für die Polysilizium-Schichten
- In-situ-Annealing nach ITO-Abscheidung, das die Passivierung optimiert
Diese Prozesskette entspricht bestehenden Silizium-Produktionslinien und ermöglicht eine direkte Integration in Pilot- und später in Großserienfertigung.
Vergleich mit anderen SERIS-Erfolgen
Während die 22,1 %-Zelle die größte DS-TOPCon-Tandemzelle mit industriellen Cz-Wafern darstellt, hat SERIS in parallelen Forschungszweigen deutlich höhere Effizienzen erzielt:
- Perowskit-organische Tandemzelle (1 cm², zertifiziert): 26,4 %
- Vapor-deposited Perowskit-Silizium-Tandem auf industriell texturierten Wafern: 31,3 %
- Labor-Scale-Rekord (nicht zertifiziert): ca. 35 %
Der Unterschied zwischen den Labor-Records und dem industriell skalierbaren 16 cm²-Prototypen verdeutlicht den üblichen Effizienzverlust beim Übergang von Kleinstzellen zu größeren, herstellungsrelevanten Flächen. SERIS positioniert die 22,1 %-Zelle bewusst als Meilenstein für Skalierbarkeit statt als absoluten Effizienz-Record.
Stabilität und Langzeitbetrieb
Ein zentraler Kritikpunkt an Perowskit-Technologien ist die Langzeitstabilität. Aktuelle Daten von SERIS und NUS zeigen erhebliche Fortschritte:
- Operative Lebensdauer (T₉₀) bei 85 °C: >1400 Stunden
- Leistungsrückhalt nach 1400 Stunden bei 85 °C: >90 % der Anfangseffizienz
- Kontinuierlicher 1-Sonnen-Betrieb ohne signifikanten Leistungsverlust
Diese Werte übertreffen historische Grenzen (≈200 h bei 85 °C) und stärken die Argumentation, dass die 22,1 %-Zelle nicht nur effizient, sondern auch für den realen Einsatz robust ist.
Marktperspektive und urbane Anwendungen
Die höhere Leistungsdichte von Perowskit-Silizium-Tandems (22-35 % gegenüber ca. 22 % bei einlagigen Siliziumzellen) macht sie besonders attraktiv für platzbeschränkte städtische Installationen – ein Fokus, den Erik Spaans im Originalartikel betont.
- 40-50 % höhere Leistungsdichte ermöglicht mehr Energie pro Quadratmeter auf Dächern und Fassaden
- Leichtes, potenziell flexibles Formfaktor-Design unterstützt Building-Integrated Photovoltaics (BIPV)
- Mechanische Eigenschaften vergleichbar mit herkömmlichen Siliziumzellen – erleichtert „Drop-in“-Ersetzung
Die 4-Terminal-Architektur (4T) erlaubt eine unabhängige Optimierung von Perowskit- und Silizium-Untersystemen und lässt sich in bestehende Silizium-Produktionslinien integrieren. Analysten prognostizieren einen kommerziellen Durchbruch ab ca. 2030, wenn Erstgeneration-Siliziummodule ihr Lebensende erreichen und Skaleneffekte die Kosten senken.
Risiken und Gegenargumente
- DS-TOPCon ist komplexer und teurer in der Fertigung als das etablierte SS-TOPCon, was die Marktdurchdringung verlangsamen könnte.
- Die 22,1 %-Effizienz liegt deutlich unter den Labor-Records von 31-35 %, was den typischen Effizienz-Abschlag bei Skalierung verdeutlicht.
- Obwohl die aktuelle Stabilität beeindruckend ist, beruhen die Daten noch auf Labor- und Pilot-Tests; Langzeit-Validierung im Feld bleibt erforderlich.
- Breitbandgap-Perowskite zeigten historisch beschleunigte Degradation; die jüngsten Fortschritte müssen unabhängig bestätigt werden.
FAQ
Was ist double-sided TOPCon (DS-TOPCon) und wie unterscheidet es sich von Standard-TOPCon?
Standard-TOPCon nutzt einen stark boron-dotierten Front-Emitter und einen Phosphor-dotierten Polysilizium-Stack auf der Rückseite. DS-TOPCon ersetzt den Front-Emitter durch ein SiOx-Layer kombiniert mit boron-dotiertem Polysilizium, wodurch das Gerät symmetrisch wird, Rekombination reduziert und Spannung sowie Füllfaktor steigen. Der Herstellungsaufwand ist jedoch höher.
Warum gilt eine Effizienz von 22,1 % als Meilenstein, obwohl SERIS höhere Werte in anderen Tandem-Architekturen erzielt hat?
Die 22,1 %-Zelle demonstriert, dass hohe Effizienz auf einer größeren Fläche (16 cm²) mit vollständig industriell kompatiblen Prozessen – screen-gedruckte Kontakte, industrielle Cz-Wafer und Heiß-ITO – erreicht werden kann. Labor-Records basieren häufig auf spezialisierten, nicht skalierbaren Techniken. Damit ist die 22,1 %-Zelle ein strategischer Schritt zur Kommerzialisierung.
Welche Fertigungsvorteile bietet DS-TOPCon für Perowskit-Silizium-Tandems?
Die symmetrische, voll passivierte Struktur ermöglicht die direkte Integration des Perowskit-Absorbers, erlaubt sowohl nip- als auch pin-Architekturen und nutzt niedrig-temperaturige Metallisation, wodurch industrielle Prozesse wie das Screen-Printing ohne thermische Belastung des Perowskits eingesetzt werden können.
Wann werden Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen voraussichtlich kommerziell verfügbar sein?
Analysten sehen einen signifikanten Marktauftritt ab etwa 2030, wenn die Kosten durch Skaleneffekte sinken und die Lebensdauer der ersten Generation-Siliziummodule endet. Pilot-Produktionslinien sind bereits in Betrieb, aber die breite Marktreife hängt von Kostenreduktion und Langzeit-Stabilitätsnachweisen ab.
Wie langlebig sind diese Tandemzellen im realen Einsatz?
Aktuelle Studien zeigen, dass Geräte nach 1400 Stunden bei 85 °C noch mehr als 90 % ihrer Anfangseffizienz behalten. Das ist ein bedeutender Fortschritt gegenüber früheren Grenzen, doch Feld-Tests über mehrere Jahre sind noch ausstehend.
Fazit
Die von SERIS präsentierte 16 cm² große Perowskit-Silizium-Tandemzelle mit DS-TOPCon-Bottom-Cell markiert einen wichtigen Schritt von der Labor- zur Industrie-Skala. Mit einer zertifizierten Effizienz von 22,1 % zeigt das Gerät, dass hohe Leistung, verbesserte Stabilität (>1400 h bei 85 °C, >90 % Effizienz-Erhalt) und industrielle Fertigungskompatibilität – darunter screen-gedruckte Kontakte und Heiß-ITO – gleichzeitig realisierbar sind. Parallel dazu hat SERIS bereits höhere Effizienzen in kleineren, spezialisierten Tandems (26,4 % bis 31,3 %) erzielt, wodurch die aktuelle Arbeit als bewusster Kompromiss zwischen Rekord-Effizienz und Skalierbarkeit zu verstehen ist. Die Kombination aus höherer Leistungsdichte, mechanischer Kompatibilität zu bestehenden Siliziummodulen und einer klaren Roadmap bis etwa 2030 positioniert Perowskit-Silizium-Tandems als vielversprechende Lösung für urbane Anwendungen und den zukünftigen PV-Markt, obwohl noch Herausforderungen in Fertigungskosten, Skalierung und langfristiger Feldstabilität bestehen.
