Dänische Forscher entwickeln nachhaltige Tandem-Solarzelle

Energie-Effizienz-Weltrekord übertroffen

Forscher der Dänischen Technischen Universität (DTU) haben eine Tandem-Solarzelle auf Basis nachhaltiger Materialien entwickelt, die den Energie-Effizienz-Weltrekord für Tandem-Solarzellen übertrifft.  Seit mehreren Jahren hatten die Forscher der DTU eng mit dem dänischen Katalyseunternehmen Haldor Topsøe und anderen zusammengearbeitet, um zwei Arten von Solarzellen zu einer neuen so genannten Tandem-Solarzelle zu kombinieren.

Jørgen Schou, Senior Researcher und Gruppenleiter, DTU Fotonik, Leiter des Forschungsprojektes ALTCELL: “Erstmals ist es gelungen, eine funktionsfähige Tandem-Solarzelle zu entwickeln, die aus einer Dünnschicht-Siliziumzelle und einer Schicht aus dem nachhaltigen Material CZTS besteht, die . Der Vorteil ist, dass die Tandemsolarzelle die Energie der Sonnenstrahlen besser absorbiert als die heute marktbeherrschenden Solarzellentypen”. Er betont, dass die Idee der Tandem-Solarzellen nicht neu ist – die Neuheit besteht darin, sie auf nachhaltige und gleichzeitig wettbewerbsfähige Materialien zu gründen.

Nachhaltige Dünnschichtzellen

Die neue Tandem-Solarzelle wurde durch die Kombination einer Siliziumzelle mit einer Dünnschicht aus einem Material namens CZTS entwickelt. Die meisten Dünnschichtzellen bestehen heute aus den beiden Elementen Cadmium, einem giftigen Schwermetall, und Tellur, das so selten wie Gold ist. CZTS, ein relativ neues Material, besteht aus den Stoffen Kupfer, Zink, Zinn und Schwefel. Diese Stoffe sind nachhaltig und preiswert, weil sie in der Natur leicht verfügbar sind.

Die Mehrheit der heutigen Standardsolarzellen wird aus Silizium hergestellt, da dieses Element im Sand enthalten ist und sowohl kostengünstig und nachhaltig ist als auch eine hohe Energieeffizienz erreicht, d.h. es kann viele der Sonnenstrahlen absorbieren und in Strom umwandeln. Die Forscher haben diese Technologie nun um eine Dünnschicht-Solarzelle ergänzt, die eine Erhöhung der Absorption der Sonnenstrahlen und damit der Leistungsabgabe ermöglicht.

Jørgen Schou erklärt: “Die Kombination von CZTS und Silizium ist hervorragend, weil sie zusammen Energie aus großen Teilen des Lichtspektrums absorbieren. Der dünne Film, der sich oben befindet, absorbiert die energiereichsten Photonen aus dem sichtbaren Teil des Lichtspektrums, während der Rest des Lichts bis hinunter zur Siliziumschicht reicht, die im Infrarotspektrum am besten funktioniert.”

Weltrekord in Energieeffizienz

Eine Siliziumzelle hat eine Energieeffizienz von etwa 20 Prozent. Mit einer CZTS-Dünnschichtzelle darüber soll ein Minimum von 30 Prozent erreicht werden. “Wir versuchen, zwei große Herausforderungen zu lösen. Die eine ist die Integration der CZTS-Zelle mit einer siliziumbasierten Bodenzelle. Das haben wir mit großem Erfolg gelöst, denn wir haben eine Energieeffizienz von nicht weniger als 3,9 Prozent erreicht, was eigentlich ein Weltrekord für diesen Typ von Tandem-Solarzellen ist”, erklärt Schou. “Die zweite Herausforderung ist die Verbesserung des Wirkungsgrades der CZTS-Zelle hier, der 2018 in Australien mit etwa 11 Prozent aufgestellt wurde. Langfristig streben wir jedoch einen Wirkungsgrad von etwa 17-18 Prozent an, aber wir haben noch einen weiten Weg vor uns”.

Den Forschern ist es gelungen, die Tandem-Solarzelle als eine Einheit zu konstruieren, aber es war eine Herausforderung, die beiden Materialien optimal zu kombinieren und dabei die Eigenschaften beider Materialien zu erhalten. Deshalb wurden mehrere verschiedene Methoden getestet, an denen unter anderem Haldor Topsøe beteiligt war.

“Wir waren an der Erprobung einer skalierbaren Technik zur Herstellung von CZTS-Dünnschicht beteiligt. Ziel war es, zu testen, ob wir die dünne Schicht mit einigen der Methoden aus unserem Know-how herstellen können. Das ist uns tatsächlich gelungen, aber die Solarzelleneigenschaften der Dünnschicht sind noch nicht gut genug, so dass das Projekt mit einer anderen Technik weitergeführt wird”, sagt Søren Dahl, F&E-Direktor, Advanced Materials bei Haldor Topsøe, der betont, dass Haldor Topsøe das Projekt weiter verfolgen wird.

“Ich bin beeindruckt, wie weit das ALTCELL-Projekt in so kurzer Zeit gekommen ist, und unsere Teilnahme war unglaublich lehrreich für uns. Es wird daher interessant sein, den Fortschritt des Projekts zu verfolgen, um beispielsweise zu sehen, wie die Energieeffizienz der Tandem-Solarzelle erhöht wird”, erläutert er.

Wettbewerbsfähige Alternative – aber “noch ein paar Jahre”

Die neuen Tandemsolarzellen müssen eine noch höhere Energieeffizienz erreichen, um eine wettbewerbsfähige Alternative zu Siliziumzellen zu werden. Und jetzt, wo die erste entscheidende Herausforderung gelöst ist, gibt sich Schou optimistisch: “Wir haben eine Technik zur Herstellung der Dünnschicht gefunden, es geht jetzt darum, die Produktion kosteneffizient zu erhöhen, und wenn es uns gelingt, die Techniken zu optimieren und den Wirkungsgrad sowohl der Siliziumzelle als auch der CZTS-Zelle zu erhöhen, bin ich überzeugt, dass dieser Typ von Tandem-Solarzellen ein wichtiges Element im Solarzellenmarkt der Zukunft werden wird. Es wird jedoch noch einige Jahre dauern, bis wir die noch ausstehenden Herausforderungen gelöst haben”.

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