Tandemsolarzellen

Fraunhofer-Wissenschaftler entwickeln höchsteffiziente Solarzellentechnik mit neuen Absorbermaterialien

30. Mai 2021

Solarzellen mit höchsten Wirkungsgraden liefern Strom kostengünstig und verbrauchen dabei wenig Fläche und Ressourcen. Sie ermöglichen neue Produkte, wie z.B. Elektroautos, die sich über Solarzellen aufladen lassen. Der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen kann aufgrund physikalischer Grenzen nicht mehr beliebig gesteigert werden. Mit Tandemsolarzellen aus mehreren lichtabsorbierenden Schichten sind dagegen Wirkungsgrade von über 35 % möglich. Im Fraunhofer-Leitprojekt “MaNiTU” entwickeln Forscherteams aus sechs Fraunhofer-Institute nachhaltige, höchsteffiziente und kostengünstige Tandemsolarzellen auf Basis neuer Absorbermaterialien.

Wenige 100 Nanometer dünne Perowskit-Schicht

Im Mittelpunkt des Projekts “MaNiTU – Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen mit höchster Umwandlungseffizienz” steht die Perowskit-Solarzellentechnologie, die innerhalb der letzten 10 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, was ideal für den Einsatz in der Photovoltaik ist. Außerdem ist diese Materialklasse aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften auch für den Einsatz in Tandemstrukturen auf Basis von Siliziumsolarzellen besonders geeignet. Allerdings ist dieses Material wegen der Verwendung von Blei nicht unproblematisch. Da innerhalb der nächsten 5-10 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 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.

Solarzellen für elektrisch betriebene Flugzeuge und Drohnen

Im April 2021 haben Wissenschaftler am Fraunhofer ISE eine monolithische Tandemzelle bestehend aus III-V-Halbleitern und Silizium vorgestellt und einen neuen Weltrekord in Sachen Wirkungsgrad aufgestellt. So wandelt die neue monolithische Dreifachsolarzelle 35,9 % des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Dabei ist es nicht nur der hohe Wirkungsgrad, der die Solarzelle auszeichnet. Der Entwicklungserfolg zeigt gleichzeitig, welches Potenzial in der Tandem-Photovoltaik aufbauend auf Silizium steckt.

In der neuen Rekordzelle sind alle Schichten aus III-V-Halbleitern direkt mit der Silizium-Unterzelle auf atomare Ebene verbunden. Sie gleicht von außen gesehen einer herkömmlichen Solarzelle mit zwei Kontakten. Mit dieser Bauweise erreicht die Zelle denselben Wirkungsgrad wie die beste mechanisch gestapelte Struktur mit vier Kontakten, die 2017 von NREL, CSEM und EPFL gemeinsam publiziert wurde. “Ein wesentlicher Schritt, mit dem wir die Verbesserung erreicht haben, ist der Einsatz eines neuen Verbindungshalbleiters (GaInAsP) in der Mittelzelle”, erläutert Patrick Schygulla (Doktorand in der Abteilung III-V Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE). “Durch das neue Material konnten wir die Lebensdauer der Ladungsträger noch einmal weiter verbessern. Und damit eine höhere Spannung der Zellen erreichen. Es ist toll zu sehen, dass unsere Materialentwicklung nun auch in den III-V//Si-Dreifachsolarzellen erfolgreich war.” Die III-V//Si-Tandemzellen sind zunächst für Anwendungen gedacht, bei denen eine hohe Leistung pro Fläche besonders vorteilhaft ist. Das sind zum Beispiel elektrisch betriebene Flugzeuge und Drohnen. Die Produktionskosten der Zellen liegen heute noch deutlich über jenen klassischer Silizium-Einfachsolarzellen.

Das Fraunhofer-Leitprojekt ist auf eine Laufzeit von vier Jahren (2019-2023) angelegt. Ziel des Forschungsprogramms ist das Ausschöpfen des Fraunhofer-Synergiepotenzials durch die Zusammenführung von Kompetenzen mehrerer Fraunhofer-Institute, um Lösungen für Herausforderungen der deutschen Industrie zu liefern. Das Projektbudget liegt bei € 8,9 Mio. Im Fraunhofer-Leitprojekt “MaNiTU” vereinen mehrere Fraunhofer-Institute ihre Kompetenzen:

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

www.manitu.fraunhofer.de

Bild: Die neue III-V//Silicium Tandemsolarzelle mit 35,9 % Wirkungsgrad. Die oberste Teilzelle leuchtet rot, ein Zeichen für hervorragende Materialqualität. Die nanostrukturierte Rückseite schimmert in Regenbogenfarben. (Quelle: Fraunhofer ISE)