Erneuerbare Energien 17. Nov 2022 Von Stephan W. Eder

Solar: Dünnschichtmodule im Doppelpack knacken Grenze von 21 % Wirkungsgrad

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) erreicht bei einem Solarmodul, das Perowskit- und Dünnschichtzellen gleichzeitig nutzt, 21 % Wirkungsgrad.

Tandemsolarmodul aus teiltransparentem Perowskit (links) und CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid), entwickelt am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW).
Foto: ZSW

Die Forschung im Bereich der Photovoltaik ist fokussiert darauf, neue Materialien und auch Materialkombinationen zu finden, die einerseits schneller, einfacher und günstiger herzustellen sind als die marktgängige Siliziumtechnik. Andererseits kombiniert sie Materialien, um noch höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Das Zentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart ist eines der treibenden Forschungsinstitute in Deutschland und arbeitet schon länger an sogenannten Tandemzellen, also Solarzellen, die quasi im Doppelpack zwei verschiedene Solarzellen kombinieren – dabei auch zwei verschiedene Typen von Zellen – um höhere Stromerträge (Wirkungsgrade) zu erreichen.

Mit einem solchen Modul auf Dünnschichtbasis hat das ZSW jetzt einen Wirkungsgrad von 21,1 % erreicht. Die Dünnschichttechnik aber ist in der Regel noch nicht ganz so effizient wie die marktgängige kristalline Siliziumtechnik, die nach Jahrzehnten intensiver Forschung ihrer praktischen Wirkungsgradgrenze von rund 27 % bereits sehr nahe ist, so das ZSW.

Hocheffiziente Solarmodule bald flexibel und preiswert dank Tandemtechnik

Der Vorteil an der Dünnschichttechnik: Die Module sind hocheffizient, leichtgewichtig und auch biegsam. Überall da, wo die starren Flachmodule nicht passen – Stichwort Formfaktor –, können sie Märkte erschließen, die bislang nicht oder kaum bedient werden können. Und wenn es bisher schon biegsame Solarmodule gibt, sind sie oft im Vergleich zum klassischen Solarmodul teurer.

Eine nach ZSW-Angaben „aussichtsreiche Materialgruppe für Tandemsolarmodule“ sind die metallorganischen Perowskite. „Einige Verbindungen dieser Materialklasse zeigen hervorragende optische und elektronische Eigenschaften und sind reichlich und kostengünstig auf der Erde verfügbar“, erklärt Jan-Philipp Becker, der Leiter des ZSW-Fachgebiets Photovoltaik: Materialforschung. „Sie nutzen im oberen Solarmodul dank ihrer hohen optischen Energiebandlücke den hochenergetischen Anteil des Sonnenspektrums sehr effizient. Gleichzeitig lassen sie einen beachtlichen niederenergetischen Anteil des Spektrums in das zweite darunter befindliche Solarmodul durch.“

Solarmodule mit Dünnschichttechnik lassen sich optimal ans Sonnenspektrum anpassen

Bei der neuen Tandemzelle kombinierte das ZSW jetzt Perowskit mit einer weiteren Dünnschichttechnologie, nämlich CIGS. CIGS ist ein Materialmix aus Kupfer (Cu), Indium (In) und Gallium (Ga), der in Selenatmosphäre (Se) auf ein starres oder auch ein flexibles Trägermaterial aufgedampft wird. Diese Technologie haben die Fachleute am ZSW nach eigenen Angaben mit Industriepartnern bis zur Serienproduktion entwickelt. Im Vergleich zu Silizium kann die spektrale Absorption, also die Lichtaufnahme, beim CIGS ideal auf den Tandemverbund angepasst werden.

Die aktuellen Bestwerte für Tandemsolarmodule aus Perowskit und CIGS liegen bei 22 %. Bei kleineren Laborzellen erzielte das ZSW für diese Materialkombination bereits eine Effizienz von 26,6 %. Die Herausforderung für die Forschungsteams besteht dann darin, diese Materialeigenschaften beim Hochskalieren der Prozessschritte möglichst optimal in die nächste Stufe übertragen zu können.

Optimierung von Solarmodulen braucht viele Entwicklungsschritte, um zum Erfolg zu kommen

Zu diesen Optimierungsschritten zählten in diesem Fall beim ZSW unter anderem verbesserte transparente Elektroden und eine bessere Passivierung der Grenzflächen. Das ZSW will die Tandem-Dünnschichttechnologie nun zusammen mit interessierten Industriekunden weiter hochskalieren und weiterentwickeln.

Weitere Vorteile der Perowskit-CIGS-Tandem-Technik sind laut ZSW geringere Stromgestehungskosten und eine bessere Gesamtumweltbilanz gegenüber der klassischen Siliziumtechnik aufgrund des geringen Material- und Energieeinsatzes während der Herstellung.

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