Als 2009 die ersten Calcit-Dünnschichtzellen auf den Markt kamen, lag der Wirkungsgrad bei lediglich 3,8 %. Dieser Wert stieg jedoch rasant an; bis 2018 überstieg er im Labor gemessene Werte 23 %. Die Grundformel einer Chalkogenidverbindung lautet ABX₃. Die Position A ist üblicherweise ein Metallion wie Cs⁺ oder Rb⁺ oder eine organische funktionelle Gruppe, beispielsweise (CH₃NH₃)₂ oder [CH(NH₂)₂]⁺. Die Position B ist üblicherweise ein zweiwertiges Kation wie Pb²⁺ oder Sn²⁺. Die Position X ist üblicherweise ein Halogenid-Anion wie Br⁻, I⁻ oder Cl⁻. Durch Variation der Komponenten lässt sich die Bandlücke von Chalkogenidverbindungen zwischen 1,2 und 3,1 eV einstellen. Die hocheffiziente photovoltaische Umwandlung von Chalkogenidzellen im kurzwelligen Bereich, kombiniert mit Zellen mit hervorragender Umwandlungsleistung im langwelligen Bereich, wie beispielsweise heterogenen kristallinen Siliziumzellen, kann theoretisch einen photovoltaischen Wirkungsgrad von über 30 % erreichen und damit die Grenze des theoretischen Wirkungsgrads von kristallinen Siliziumzellen von 29,4 % durchbrechen. Im Jahr 2020 erreichte diese gestapelte Batterie im Berliner Heimholtz-Labor bereits einen Wirkungsgrad von 29,15 %. Die Chalkogenid-kristalline Silizium-Stapelzelle gilt als eine der wichtigsten Batterietechnologien der nächsten Generation.
Die Chalkogenidschicht wurde in einem zweistufigen Verfahren hergestellt: Zunächst wurden poröse PbI₂- und CsBr-Filme durch Co-Verdampfung auf die Oberfläche von Heteroübergangszellen mit flaumiger Oberfläche aufgebracht und anschließend durch Spin-Coating mit einer Organohalogenidlösung (FAI, FABr) bedeckt. Die organische Halogenidlösung dringt in die Poren des aufgedampften anorganischen Films ein und reagiert und kristallisiert bei 150 °C zu einer Chalkogenidschicht. Die so erhaltene Chalkogenidschicht wies eine Dicke von 400–500 nm auf und wurde zur Optimierung der Stromanpassung in Reihe mit der darunterliegenden Heteroübergangszelle geschaltet. Die Elektronentransportschichten auf der Chalkogenidschicht bestehen aus LiF und C₆O, die nacheinander durch thermische Verdampfung aufgebracht wurden. Darauf folgte die Atomlagenabscheidung einer Pufferschicht, SnO₂ und die Magnetron-Sputterung von TCO als transparenter Frontelektrode. Die Zuverlässigkeit dieser gestapelten Zelle ist besser als die der Chalkogenid-Einzelschichtzelle, aber die Stabilität des Chalkogenidfilms unter den Umwelteinflüssen von Wasserdampf, Licht und Wärme muss noch verbessert werden.
Veröffentlichungsdatum: 20. Oktober 2023