Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen

Fraunhofer-Leitprojekt “MaNiTU”

Solarzellen mit höchsten Wirkungsgraden liefern kostengünstig Strom und brauchen dabei weniger Fläche und Ressourcen. Sie ermöglichen zudem neue Produkte, wie z.B. Elektroautos, die sich über Solarzellen aufladen lassen. Der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen lässt sich allerdings aufgrund von physikalischen Grenzen nicht beliebig steigern. Mit Tandemsolarzellen aus mehreren lichtabsorbierenden Schichten (etwa Perowskit, s. Foto) sind dagegen Wirkungsgrade von mehr als 35 % möglich, daher stehen sie im Fokus der aktuellen Solarzellenforschung, so eine Medienmitteilung aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE am 03.12.2019. Im Fraunhofer-Leitprojekt “MaNiTU” entwickeln sechs Fraunhofer-Institute nachhaltige, höchsteffiziente und kostengünstige Tandemsolarzellen auf Basis neuer Absorbermaterialien.

Hocheffizienz-Solarzellen können beispielsweise in Dächern von Elektrofahrzeugen integriert werden, um die Reichweite zu erhöhen – Bild © Fraunhofer ISE

Projektleiter Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE, erklärt: “Für Deutschland ergibt sich durch die Entwicklung innovativer und disruptiver Technologien wie Tandemsolarzellen die Chance, neben Forschung, Anlagenbau und Materialbereitstellung auch bei der Produktion der Solarzellen wieder eine internationale Spitzenstellung zu erreichen. So eröffnet MaNiTU auch eine alternative Perspektive für eine erfolgreiche europäische produzierende PV-Industrie”.

Im Mittelpunkt des Projekts “MaNiTU – Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen mit höchster Umwandlungseffizienz” steht die Perowskit-Solarzellentechnologie, die innerhalb der vergangenen zehn Jahre den Wirkungsgrad von 3,8 % auf 24,2 % steigerte, einfache Herstellung ermöglicht und sehr geringe Produktionskosten verspricht. Als Perowskit-Materialien gelten alle Materialien, deren Kristallstruktur der des Minerals Kalziumtitanat entspricht. Solche Werkstoffe können Licht besonders gut absorbieren und ermöglichen eine hohe Elektronenbeweglichkeit – ideal für den Einsatz in der Photovoltaik. Außerdem ist diese Materialklasse aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften auch für den Einsatz in Tandemstrukturen auf Basis von Siliziumsolarzellen geeignet.

Struktur einer Tandemsolarzelle mit einer nur wenige 100 Nanometer dünnen Perowskit-Schicht, wie sie aktuell realisiert wird. Problematisch ist die Verwendung von Blei – Bild © Fraunhofer ISE

Allerdings ist dieses Material wegen der Verwendung von Blei nicht unproblematisch. Da innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre weltweit die jährlichen Photovoltaik-Installationen auf mehr als 1 TWp steigen werden, müssen kritische Materialien bei der Herstellung von Solarmodulen konsequent vermieden werden. Ausgehend von bekannten Perowskitabsorbermaterialien werden deshalb in “MaNiTU” mit modernsten materialwissenschaftlichen Methoden neue bleifreie Absorberschichten sowie darauf abgestimmte Kontakt- und Passivierungsschichten entwickelt, wobei kritische und giftige Stoffe von Anfang an ausgeschlossen werden. Der innovative Ansatz, Absorber- und Kontaktschichten zusammen zu behandeln, ermöglicht es, Grenzflächeneffekte gezielt für die gewünschten Funktionalitäten einzusetzen. Die Perowskittechnologie wird dann mit der etablierten Silizium-Technologie kombiniert. Dazu werden die Perowskitsolarzellen direkt auf Siliziumsolarzellen abgeschieden. Weil die einzelnen Solarzellen jeweils unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums besonders effizient nutzen, steigt so insgesamt der Wirkungsgrad, und mit der gleichen Solarzellenfläche kann mehr Strom produziert werden. Zum Ende des Projekts werden Stabilität und hohe Wirkungsgrade auf Modulebene demonstriert.

Die ambitionierten “MaNiTU”-Projektziele verlangen das Zusammenführen der komplementären Kompetenzen verschiedener Fraunhofer-Institute – von theoretischer und experimenteller Materialwirtschaft bis zu technologischer, wirtschaftlicher und ökologischer Expertise zu Solarzellen. Das Fraunhofer-Leitprojekt ist auf eine Laufzeit von vier Jahren angelegt. Es soll durch die Zusammenführung von Kompetenzen mehrerer Institute das Fraunhofer-Synergiepotenzial ausschöpfen, um Lösungen für Herausforderungen der deutschen Industrie zu liefern. Die sechs Institute:

  1. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE: Entwicklung höchsteffizienter Tandemsolarzellen
  2. Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC: Nasschemische Materialsynthese; Applikation von partikelbasierten Elektroden-/Absorberschichten
  3. Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM: Materialdesign, atomistische Materialmodellierung und Computersimulation
  4. Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST: Erforschung & Anwendung von Beschichtungsprozessen; Nachhaltigkeitsbewertung & Optimierung von Energie- und Stoffströmen
  5. Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS: Mikrostrukturelle Analytik und optoelektrische Charakterisierung für Perowskit-Solarzellen
  6. Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS: Nachhaltigkeitsbewertung auf Material- und Prozessebene; Entwicklung von bleifreien Substitutionsmaterialien

->Quellen: