06. Sep 2019

Die Forscherinnen und Forscher im Projekt Capitano entwickeln neue Materialien und Prozesse sowie Prototypen für Perowskit-Solarzellen und -module mit hohem Wirkungsgrad. ©Bild: Markus Breig, KIT

Tandemsolarmodule: Mehr Strom aus dem Doppelpack – Halbleiter-Kombination aus Perowskit und CIGS verspricht Effizienzsteigerung in der Photovoltaik

(ee-news.ch) Der Wirkungsgrad marktüblicher Solarmodule lässt sich nur noch begrenzt steigern. Mehr Potenzial bietet der Einsatz von zwei lichtaktiven Schichten in Tandemsolarmodulen. Im Projekt Capitano werden Dünnschichtsolarmodule auf Basis von Perowskit-Halbleitern mit Halbleitern aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) kombiniert. Dadurch kann ein Wirkungsgradpotenzial von über 30 Prozent bei allen Vorteilen der Dünnschicht-Technologie erreicht werden.


Projektpartner sind das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) als Koordinator, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Unternehmen NICE Solar Energy in Schwäbisch Hall.

Zu zweit geht’s besser
Tandemsolarmodule bestehen aus zwei unterschiedlichen, übereinander geschichteten Solarmodultypen, die das Sonnenlichtspektrum besser ausnutzen als das jeweilige Einfachsolarzelle. Dadurch weisen die Mehrfachsolarmodule einen höheren Wirkungsgrad auf. Deutlich über 30 Prozent sind theoretisch möglich – bei einfachen Siliziumsolarzellen etwa ist bereits bei 29 Prozent Schluss. Mittlerweile stehen mehrere Varianten von Tandemmodulen zur Verfügung. Bei der CIGS-Perowskit-Entwicklung wandelt eine Perowskit-Solarzelle das Licht im sichtbaren Teil des Sonnenspektrums in Strom um. Die darunter liegende CIGS-Solarzelle absorbiert das Licht im infrarotnahen Spektrum, das die Perowskit-Solarzelle durchdringt. Beide Solarzellen nutzen Dünnschichttechnologien, die sich auf Quadratmeter grossen Substraten herstellen lassen. Damit liessen sich die Kosten – bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad – deutlich reduzieren.

Das Projekt Capitano
Das Projekt ist im Juli 2019 gestartet und läuft drei Jahre. Ziel des Projektes ist es, Zellen mit stabilen höheren Wirkungsgraden zu entwickeln, die zu effizienten Tandem-Solarmodulen zusammengeschaltet werden können. Der Industriepartner NICE soll die Produktion im Industriemassstab bewerten und die Kosten evaluieren. Das ZSW entwickelt im Projekt CIGS-Module mit angepasstem Absorptionsspektrum (Bandlücke) und optimierter Oberfläche und erforscht semitransparente Perowskit-Solarzellen und -module mit hoher Effizienz und Transparenz. Die Perowskit-Beschichtung soll mit industrierelevanten Prozessen wie Schlitzgiessen erprobt werden. Wichtige Teilaspekte sind hierbei optimierte Zwischenschichten und angepasste transparente Kontaktschichten. Die Ergebnisse sollen in die Realisierung von in Serie verschalteten Tandemsolarzellen und -modulen einfliessen. Auch die Umweltverträglichkeit des Herstellungsprozesses wird evaluiert.

Das KIT wird in diesem Projekt neue Materialien und Prozesse sowie Prototypen zur Herstellung semitransparenter Perowskit-Solarzellen und -solarmodule mit angepasstem Absorptionsspektrum (Bandlücke), hohem Wirkungsgrad und hoher Transparenz entwickeln. Insbesondere stehen skalierbare Herstellungsverfahren wie das Schlitzgussverfahren oder die Abscheidung aus der Gasphase im Vakuum im Vordergrund. Im Hinblick auf die komplexe Architektur der Tandemsolarzellen entwickeln die Wissenschaftler ein Lichtmanagementkonzept zur verbesserten Lichtausbeute. Auch Ertragsberechnungen sind Teil des Aufgabenpakets.

Bewertung der industriellen Skalierbarkeit
Das Unternehmen NICE Solar Energy GmbH stellt den anderen Partnern für die Herstellung der Tandem-Solarmodule CIGS-Kleinsolarmodule aus seiner CIGS-Innovationslinie zur Verfügung. Die gefertigten Tandemsolarmodule bewertet es dann bezüglich ihrer industriellen Skalierbarkeit. Auch ein Kostenvergleich mit Single-junction-CIGS-Solarmodulen ist Teil der Agenda. Angenommen wird eine jährliche Produktionskapazität von 300 Megawatt – das ist eine Produktionsgrösse im industriellen Massstab.

Text: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

1 Kommentare
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Max Blatter @ 13. Sep 2019 10:12

Noch immer scheint sich bei der Entwicklung der Solarzellentechnologie (fast) alles um den Wirkungsgrad zu drehen. Klar, dieser bestimmt maßgeblich die Flächenausnutzung und ist somit nicht unwichtig. Weitaus wichtiger ist m.E. aber die Verfügbarkeit der Rohstoffe, und da ist Silizium unerreicht (die Verknappung der für die Baustoff-Herstellung geeigneten Quarzsand-Qualität betrifft die Halbleiterindustrie nicht). Wie sieht das bei Cu, In, Ga und Se aus? Klar, Dünnschichtzellen brauchen weniger Material, aber es gibt auch Dünnschicht-Si-Zellen! Leider sagt der Artikel darüber nichts aus.

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