Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen – wissenschaftlich

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Universitäten von Luxemburg und Utah stellen mit neuer Lernkurve Korrelation her

PV-Forscher der Universitäten Luxemburg und Utah erörtern in ihrer jüngsten Untersuchung eine neue Lernkurve namens „Effizienz vs. Aufwand für die Solarzelleneffizienz“. Ein Team von zwei Professoren beider Universitäten hat am 06.01.2023 in Solar Energy Materials and Solar Cells eine Studie über die Rolle der Forschung bei der Verbesserung der Zelleffizienz veröffentlicht. Die Forscher entdeckten, dass es theoretisch möglich ist, das Versprechen neuer Solarzellentechnologien in jedem Stadium der Entwicklung zu messen, dass jede wissenschaftliche Veröffentlichung das Feld in ähnlichem Maße voranbringe, was durch die Anzahl der Forscher, die Effektivität der Forschung, die verfügbare Zeit und die Ressourcen gestützt werde. Diese Bemühungen hätten zu einer standardisierten Lernrate geführt, die es einfach mache, neue und aufkommende Technologien zu vergleichen und zu beurteilen, wie diese im Vergleich zu aktuellen kommerziellen Technologien abschnitten.

MAGIC-Teleskop bei Nacht mit eingeschalteten Justierlasern – Foto © Robert Wagner, commons.wikimedia.org

Professor Philip Dale von der Universität Luxemburg erklärt, dass die Entwicklung von Solarzellen im Laufe der Zeit in der Regel zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der Solarzelle führe. Wichtig sei jedoch nicht so sehr, wie viel Zeit vergangen sei, sondern vielmehr der Forschungsaufwand, der zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads beitrage.

Das Team um Dale und Professor Mike Scarpulla von der University of Utah verwendete die kumulierten wissenschaftlichen Veröffentlichungen als Maßstab für die gesamten Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen und fand heraus, dass sich der Wirkungsgrad von Solarzellen um ∼5 % pro Größenordnung der veröffentlichten Artikel verbesserte. Um den Wirkungsgrad einer Zelle von 5 % auf 10 % zu erhöhen, sind 100 Veröffentlichungen erforderlich, und für eine weitere Steigerung von 10 % auf 15 % sind 1.000 Veröffentlichungen erforderlich, so die Forscher.

„Wir sind von der vereinfachenden Annahme ausgegangen, dass jede Veröffentlichung das Feld im Durchschnitt um einen ähnlichen Betrag voranbringt“, so Dale und Scarpulla. Ihrer Untersuchung zufolge hängen Effizienzsteigerungen mit der Anzahl der Forscher, der Effektivität der Forscher, der aufgewendeten Zeit und den verfügbaren Ressourcen zusammen, und „alle diese Faktoren korrelieren wohl auch mit dem Publikationsvolumen“.

Am Beispiel der Halogenid-Perowskite, die in den letzten zehn Jahren stark gewachsen sind, glaubt das Duo, dass dieses schnelle Wachstum auf die Bereitschaft einer großen Zahl von Wissenschaftlern zurückzuführen ist, sich kontinuierlich zusammenzuschließen und an demselben Materialsystem zu arbeiten. Als Nächstes stehen Tandemzellen auf der Tagesordnung von Wissenschaftlern aus aller Welt.

„Die Folge dieses standardisierten Lerntempos ist, dass es jetzt einfach ist, neue und aufkommende Technologien zu vergleichen, um zu sehen, wie sie sich mit den aktuellen kommerziellen Technologien messen lassen, so dass die Wissenschaftler ihre Bemühungen auf vielversprechende Kandidaten konzentrieren können“, fügen sie hinzu. Die Forschungsergebnisse von Dale und Scarpulla wurden in Solar Energy Materials and Solar Cells unter dem Titel „Efficiency versus effort: A better way to compare best photovoltaic research cell efficiencies?“ veröffentlicht.

Neue PV-Lernkurve: Effizienz vs. Aufwand (kumulative Studien).

„Sie soll die Vorzüge verschiedener Materialtechnologien aufzeigen, die sich noch in der Forschung und Entwicklung befinden. Si, CdTe und CIGS wuchsen mit ∼5% Effizienzsteigerung pro Faktor 10 Veröffentlichungen. Überraschenderweise übertreffen die Halogenid-Perowskite diese Lernrate nicht. Einige Technologien verbessern sich derzeit schneller als diese Rate.

Häufig werden Trends bei den AM1,5-Rekordwirkungsgraden im Zeitverlauf, wie z. B. das Wirkungsgraddiagramm des NREL (U.S. Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory), verwendet, um die relativen Vorzüge verschiedener Photovoltaik-Materialtechnologien zu analysieren. Dieser Ansatz täuscht jedoch über den Aufwand hinweg, der zur Erreichung dieser Leistungsniveaus betrieben wird. Die beiden Autoren führen kumulative Veröffentlichungen als Stellvertreter für die gesamten F&E-Anstrengungen ein und stellen überraschenderweise fest, dass Silizium-, Cu(In,Ga)Se2– (CIGSe), CdTe- und Halogenid-Perowskit-Technologien im Wesentlichen die gleiche Lernkurve von 20-24 % Effizienz innerhalb von 10.000 Veröffentlichungen und eine konsistente marginale Rate von 5 % Effizienzsteigerung pro Faktor 10 in den Veröffentlichungen aufweisen. Obwohl Lernprozesse von Nicht-PV-Technologien, Wechselwirkungen mit anderen PV-Technologien und verborgene kommerzielle Bemühungen durch diese Metrik nicht berücksichtigt werden, liefert diese Analyse dennoch nützliche und neue Einblicke in die Entwicklung der PV-Technologie. Verläufe unterhalb dieser Lernkurve haben einen höheren Gesamtaufwand pro Leistung erfordert, und Plateaus mit stagnierender Effizienz bei einer großen Anzahl von Veröffentlichungen können auf das Vorhandensein grundlegender Hindernisse für eine kommerziell relevante Leistung hinweisen (sind aber keine Garantie dafür). Schließlich werden Beispiele für Technologien genannt, die derzeit höhere marginale Steigungen aufweisen, darunter auch einige, die in den vergangenen Jahren nach diesem Maßstab als untätig erschienen.

Seit Jahrzehnten werden die Fortschritte bei den verschiedenen PV-Technologien vom NREL anhand eines Diagramms verfolgt, das den Wirkungsgrad der Zellen im Vergleich zum Datum darstellt. Forscher und Technologen haben die relative Position und die Entwicklung der verschiedenen Materialtechnologien genutzt, um zu entscheiden, ob sie ihr Portfolio ändern oder neue Technologien hinzufügen sollten. Die derzeit niedrigeren Wirkungsgrade von Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSe) und farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) könnten von den Befürwortern mit der einfachen Tatsache begründet werden, dass die Forschung später begonnen hat; mit mehr Zeit könnten sie die gleiche Leistung erreichen wie Si nach fast 70 Jahren. Außerdem hat Si vom Know-how der Elektronikindustrie profitiert, so dass diese reinen PV-Materialtechnologien wohl bessere Fortschritte machen. Die Halogenid-Perowskite haben ihren theoretischen maximalen Wirkungsgrad in etwas mehr als einem Jahrzehnt fast erreicht. Diese Beobachtungen werfen die Frage auf: ‚Wie können an sich besser geeignete PV-Materialtechnologien, die für die Kommerzialisierung und die Auswirkungen in der realen Welt relevant sind, erkannt werden, und zwar frühzeitig?‘.“

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