Solarzellen: Mehr Leistung und schneller marktfähig
Dem Fraunhofer-Institut ISE ist es gelungen, das theoretische Wirkungsgradlimit von Solarzellen zu erhöhen. Die Forschungen sollen dazu beitragen, die Technik schneller industriell umzusetzen. Perowskit und Silizium spielen dabei eine zentrale Rolle.
Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist das entscheidende Mass für den Energieertrag. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat herkömmliche Silizium-Solarzellen optimiert. Dabei zielt der Ansatz auf Entwicklungen in mehrere Richtungen. Denn auf kleinerer Fläche lässt sich gleichzeitig mit geringerem Materialeinsatz die Produktion von Solarenergie steigern. Konkret geht es um Tandemsolarzellen. Sie können ein entscheidender Hebel für eine höhere Effizienz von PV-Flächen sein.
Tandem bringt mehr Leistung
Dabei werden herkömmliche Silizium-Solarzellen mit einer 500 Nanometer dünnen Perowskitzelle beschichtet. Mit dem Verfahren liess sich der theoretische Wirkungsgradlimit von 29,4 auf 43,3 Prozent steigern, wie das Fraunhofer-Institut ISE in einer Mitteilung schreibt. Forschung ist die Basis technischer Entwicklungen. Doch oft dauert es zu lange, bis neue Erkenntnisse der Wissenschaft Eingang in die industrielle Fertigung finden und völlig neue Anwendungen oder Produkte der neuesten Generation in grosser Stückzahl auf dem Markt angeboten werden können.
Um der Tandem-Technologie zum Durchbruch zu verhelfen und den Weg in die industrielle Fertigung zu beschleunigen, wurde am Fraunhofer-Institut in einem zweiten Schritt ein neues Labor unter der Bezeichnung «Pero-Si-Scale» in Betrieb genommen. Dabei konnte das Forschungsinstitut an frühere Erfahrungen im Umgang mit dem Technologiereifegrad anknüpfen. Die neue Laborinfrastruktur baut auf rund 20 Jahre Erfahrung in der industrienahen Entwicklung im Bereich der Silizium-Photovoltaik.
Quelle: Fraunhofer ISE
Schematische Darstellung einer Perowskit-Silizium-Solarzelle. Die Perowskit-Solarzelle (blau) wird direkt auf die Silizium-Unterzelle (rot) aufgebracht.
Aus dem Labor werden die neuen Zelldesigns in die skalierbaren und hochdurchsatzfähigen Fertigungsprozesse überführt, wobei die industriellen Zellformate Wafergrössen von maximal 210 mal 210 Quadratmillimeter aufweisen können. Neben der Entwicklung von Perowskit-Silizium-Solarzellen und -modulen sowie Technologien zu deren Herstellung, bietet «Pero-Si-Scale» auch ein Instrumentarium für umfangreiche Charakterisierungen und Analysen.
Wirkung auch auf andere Branchen
Das Fraunhofer ISE setzt beim Herstellungsverfahren für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen auf die sogenannte «Hybrid-Route», eine Kombination von Vakuum- und nasschemischen Prozessen, wie es in der Mitteilung heisst. Mit dem Verfahren habe das Institut im Labormassstab bereits Wirkungsgrade von über 33 Prozent erzielen können – ein Spitzenwert. Vorteilhaft ist zudem, dass weiterhin gängige, texturierte Silizium-Solarzellen aus der Industrie verwendet werden können.
Um eine höhere Stromausbeute erzielen zu können, ist darüber hinaus eine Orientierung an aktuell geltenden Solarzellen-Standards möglich. Die Kombination verschiedenster Dünnschichttechnologien mit der waferbasierten Siliziumtechnologie ist die Herausforderung für die effiziente industrielle Umsetzung. Bei der Photovoltaik dürfte die Forschung diesbezüglich noch lange nicht ausgereizt sein. Davon ist Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, überzeugt.
Quelle: Fraunhofer ISE / Foto: Michael Spiegelhalter
Das «Pero-Si-Scale» überführt Zelldesigns aus dem Labor auf industrielle Zellformate mit Wafergrössen bis 210 mal 210 Quadratmillimeter.
Photovoltaik auf Basis der Perowskit-Silizium-Technologie biete auch dem Maschinenbau Marktchancen, indem Hersteller von Vakuumbeschichtungsanlagen durch die industrienahe Forschung verbessert werden könnten. Mit der neuen Technologie ist bei der deutschen und europäischen Solarindustrie auch die Hoffnung verbunden, auf dem Weltmarkt wieder stärker mitmischen zu können. Dieser wurde im Verlauf der letzten 20 Jahre immer mehr von chinesischen Unternehmen dominiert. Höhere Wirkungsgrade von Solarzellen bei gleichzeitiger Senkung der Solarstromkosten sind die Ziele des Themenfelds «Siliziumbasierte Tandem-Solarzellen und Module», wie das Institut andernorts schreibt. Auch soll es möglich sein, bei Einfachsolarzellen aus Silizium das begrenzende Auger-Limit von 29,4 Prozent zu überwinden. (mgt/sts)
