Im „MaNiTU“-Projekt haben sechs Fraunhofer-Institute industrielle Prozesse zur Herstellung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen entwickelt. Deren Markteinführung ist nach Angaben der Forschenden Voraussetzung für den nächsten Technologiesprung in der Photovoltaik-Industrie.
Über Photovoltaik-Module , die Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen enthalten, haben wir auf BaustoffWissen bereits im Beitrag „ Tandemsolarzellen: Rekord-Wirkungsgrad “ berichtet. Diese neuartigen Module erreichen mittlerweile einen Wirkungsgrad von über 30 % – deutlich mehr als herkömmliche Module. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel von der Sonnenenergie, die auf die Solarzelle trifft, am Ende tatsächlich in Strom umgewandelt wird.
Wirkungsvolles Tandem
Während die Zellen herkömmlicher PV-Module meist komplett aus dem Halbleiter Silizium bestehen, verfügen Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen zusätzlich über eine weitere Zellenschicht, die aus dem mineralischen Hableiter Perowskit (Calcium-Titan-Oxid) gefertigt wird. Vorteil: Während Silizium nur die unsichtbaren, infraroten Anteile des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandelt, lassen sich mit Perowskit auch sichtbare Anteile nutzen – vor allem die blauen Anteile des Spektrums. Als Tandem erreichen beide Materialien höhere Wirkungsgrade als es mit einer homogenen Zelle aus nur einem Halbleiter möglich ist.
Angesichts ihrer höheren Effektivität ist es kein Wunder, dass Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen als das „nächste große Ding“ in der Photovoltaikbranche gelten. In den letzten Jahren wurde in diesem Bereich viel geforscht, immer wieder melden Institute neue Wirkungsgrad-Rekorde. Für den massenhaften Einsatz der Technik in der Praxis sind Tandemsolarzellen aber noch zu teuer – vor allem, weil bislang effiziente industrielle Herstellungsprozesse fehlten. Doch die Forschung arbeitet auch daran. Im MaNiTU-Projekt , das Ende 2024 nach fünf Jahren Laufzeit abgeschlossen wurde, ging es nicht zuletzt um industriell umsetzbare Herstellungsprozesse für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen.
MaNiTU ist die Abkürzung für „Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen mit höchster Umwandlungseffizienz“. Geleitet wurde das Projekt vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE. Weitere Projektpartner waren das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und die Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS.
Bleifreie Perowskite ungeeignet
Laut Fraunhofer ISE hat das Projekt gezeigt, dass Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit hohem Wirkungsgrad in industrienahen Prozessen realisierbar sind. Auf effiziente Weise funktioniert das bislang allerdings nur, wenn bleihaltige Perowskit-Verbindungen zum Einsatz kommen. Die Forschenden untersuchten auch die Verwendung von ungiftigen, bleifreien Alternativen. Doch es gelang ihnen nicht, mit den bleifreien Materialien Tandemsolarzellen von ausreichender Effizienz zu realisieren.
Da hohe Effizienzen bis auf Weiteres nur mit bleihaltigen Perowskiten möglich scheinen, machten sich die Forschenden auch Gedanken über Recycling-Konzepte und eine Kreislaufwirtschaft für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen. Sie führten eine detaillierte Bewertung der Umweltauswirkungen der Produktion, der Nutzungsphase und des Produktlebensendes der Solarzellen durch und entwickelten Recyclingkonzepte für diese.
Ziel war eine hohe Nachhaltigkeit, trotz Verwendung bleihaltiger Materialien. „Durch den Einsatz von fortschrittlichen Recyclingprozessen kann eine Kreislaufwirtschaft für Photovoltaiksysteme auch für bleihaltige Perowskite geschaffen und eine langfristige Energieeffizienz gewährleistet werden“, sagt Prof. Dr. Peter Dold vom Projektpartner Fraunhofer IWKS.
Industrienahe Prozesse entwickelt
Neben dem Auffinden der am besten geeigneten Perowskit-Verbindungen für nachhaltige Tandemsolarzellen und der Erforschung möglichst effizienter Synthesewege zur Herstellung solcher Perowskite im industriellen Maßstab, ging es bei MaNiTU auch um die bestmögliche prozesstechnische Kombination von Perowskit und Silizium zu Tandemsolarzellen.
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Das Forschungsteam entwickelte industrienahe Anlagekomponenten und Beschichtungstechnologien, mit deren Hilfe hocheffiziente Demonstratoren erstellt wurden – unter anderem eine 1 cm2 große Perowskit-Silizium Tandemsolarzelle mit 31,6 % Wirkungsgrad. Um diese herzustellen, nutzten sie eine Standard-Siliziumsolarzelle und beschichteten diese mit einer Perowskit-Dünnschicht von hoher Qualität. „Eine enge Industriekooperation ist jetzt der nächste Schritt, um diese Zukunftstechnologie in Europa aufbauen zu können“, resümiert Prof. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE und Koordinator des MaNiTU-Leitprojekts.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nahmen auch die Charakterisierung von Tandemsolarzellen in den Fokus und entwickelten Methoden zur schädigungsfreien selektiven Analyse der Silizium- und Perowskit-Teilzellen. Mithilfe der Analysedaten realisierten sie zudem ein opto-elektrisches Simulationsmodell für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen. Die Simulation brachte unter anderem Erkenntnisse über die praktische Obergrenze des Wirkungsgrads solcher Solarzellen. Sie liegt bei 39,5 %.
