Halbleiter-Kombination aus Perowskit und CIGS verspricht Effizienzsteigerung in der Photovoltaik
Der Wirkungsgrad marktüblicher Solarmodule lässt sich nur noch begrenzt steigern. Deutlich mehr Potenzial bietet der Einsatz von zwei lichtaktiven Schichten in so genannten Tandemsolarmodulen. Der vielversprechenden Technologie könnte die Zukunft gehören. Im Forschungsprojekt „Capitano“ kombinieren Forscherinnen und Forscher Dünnschichtsolarmodule auf Basis von Perowskit-Halbleitern mit Halbleitern aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS). Die Kombination ermöglicht höchsteffiziente Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgradpotenzial von über 30 Prozent bei allen Vorteilen der Dünnschicht-Technologie. 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.
Die Forscherinnen und Forscher im Projekt „Capitano“ entwickeln neue Materialien und Prozesse sowie Prototypen für Perowskit-Solarzellen und -module mit hohem Wirkungsgrad. Foto: Markus Breig, KIT)
Tandemsolarmodule bestehen aus zwei unterschiedlichen, übereinander geschichteten Solarmodultypen, die das Sonnenlichtspektrum besser ausnutzen als die jeweilige Einfachsolarzelle. Dadurch weisen die Mehrfachsolarmodule einen höheren Wirkungsgrad auf. Deutlich über 30 Prozent sind bei Mehrfachsolarzellen theoretisch möglich – bei einfachen Siliziumsolarzellen etwa ist bereits bei 29 Prozent Schluss.
Zu zweit geht’s besser
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. Besonders interessant ist, dass beide Solarzellen als Dünnschichttechnologien im Prinzip auf Quadratmetern großen Substraten herstellbar sind und damit ein hohes Kostenreduktionspotenzial bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad aufweisen.
Höhere Wirkungsgrade durch Zusammenarbeit
Professor Michael Powalla, Mitglied des Vorstands und Leiter des Geschäftsbereichs Photovoltaik am ZSW sowie Professor am KIT, verweist auf die hervorragende Zusammensetzung des Konsortiums: „Durch die breit aufgestellte Kompetenz von den Grundlagen bis hin zur Massenproduktion im Projekt erwarte ich große Fortschritte bei der Weiterentwicklung dieser viel versprechenden Technologie.“ Dr. Ulrich W. Paetzold, Nachwuchsgruppenleiter am KIT, ergänzt: „Wir entwickeln die nächste Generation von hocheffizienten Dünnschicht-Tandemzellen mit einem Wirkungsgradpotenzial oberhalb von 30 Prozent. Aussichtsreiche Anwendungsfelder sind beispielsweise hocheffiziente Solarmodule für gebäudeintegrierte Photovoltaiklösungen.“
Das Projekt Capitano
Das Projekt „Capitano“ ist im Juli 2019 gestartet und läuft drei Jahre. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert es mit insgesamt rund 5,2 Millionen Euro. Ziel des Projektes ist es, Zellen mit stabilen höheren Wirkungsgraden zu entwickeln, die zu effizienten Tandem-Solarmodulen zusammengeschaltet werden können. Der Industriepartner NICE Solar Energy soll die Produktion im Industriemaßstab bewerten und die Kosten evaluieren.
Das ZSW entwickelt im Projekt CIGS-Module mit angepasster 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 monolithisch 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 angepasster 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.
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 Tandemmodule 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.
