Hocheffizienz-Solarzellen können beispielsweise in Dächern von Elektrofahrzeugen integriert werden, um die Reichweite zu erhöhen. ©Bild: FI/ISE

Struktur einer Tandemsolarzelle mit einer nur wenige 100 Nanometer dünnen Perowskit-Schicht, wie sie aktuell realisiert wird. Problematisch ist die Verwendung von Blei. ©Bild: FI/ISE

Fraunhofer-Leitprojekt Manitu: Entwickelt Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen

(FI/ISE) Der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen lässt sich aufgrund von physikalischen Grenzen nicht mehr beliebig steigern. Mit Tandemsolarzellen aus mehreren lichtabsorbierenden Schichten sind dagegen Wirkungsgrade von über 35 % möglich. Im Fraunhofer-Leitprojekt Manitu entwickeln sechs Fraunhofer-Institute nachhaltige, effiziente und kostengünstige Tandemsolarzellen auf Basis neuer Absorbermaterialien.


»Für Deutschland ergibt sich durch die Entwicklung innovativer und disruptiver Technologien wie Tandemsolarzellen die Chance, neben Forschung, Anlagenbau und Materialbereitstellung auch bei der Produktion der Solarzellen wieder eine internationale Spitzenstellung zu erreichen. So eröffnet Manitu auch eine alternative Perspektive für eine erfolgreiche europäische produzierende PV-Industrie«, erklärt Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, der die Leitung des Projekts innehat.

Perowskit-Solarzellentechnologie im Mittelpunkt
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 – ideal für den Einsatz in der Photovoltaik. Ausserdem ist diese Materialklasse aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften auch für den Einsatz in Tandemstrukturen auf Basis von Siliziumsolarzellen geeignet.

Kritische Materialien konsequent vermeiden
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 TW steigen werden, müssen kritische Materialien bei der Herstellung von Solarmodulen konsequent vermieden werden. Ausgehend von bekannten Perowskit-Absorbermaterialien werden deshalb in Manitu mit modernen 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. Dadurch ermöglichen diese Solarzellen auch neue Produkte, wie z. B. Elektroautos, die sich über Solarzellen aufladen lassen (siehe ee-news.ch vom 20.9.2019 >>). Zum Ende des Projekts werden Stabilität und hohe Wirkungsgrade auf Modulebene demonstriert.

Synergiepotenzial ausschöpfen
Das Fraunhofer-Leitprojekt ist auf eine Laufzeit von vier Jahren angelegt. Ziel dieses Forschungsprogramms ist das Ausschöpfen des Fraunhofer-Synergiepotenzials durch die Zusammenführung von Kompetenzen mehrerer Fraunhofer-Institute, um Lösungen für Herausforderungen der deutschen Industrie zu liefern. Die ambitionierten Manitu-Projektziele verlangen das Zusammenführen der komplementären Kompetenzen verschiedener Fraunhofer-Institute – von theoretischer und experimenteller Materialwirtschaft bis zu technologischer, wirtschaftlicher und ökologischer Expertise zu Solarzellen.

Weitere Informationen >>

Text: Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE

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