Dünnschichtphotovoltaik mit höchster Effizienz

  • 30. November 2018

Perowskit-CIGS-Tandemzelle mit neuem Rekordwirkungsgrad.

Das Zentrum für Sonnen­energie- und Wasser­stoff-Forschung Baden-Württem­berg (ZSW) und das Nano­electronics Research Centre (imec) aus Belgien haben eine Tandem-Dünn­schicht­solar­zelle mit einem Rekord­wirkungs­grad von 24,6 Prozent entwickelt. Die Tandem­zelle besteht aus einer Perowskit­zelle von imec und einer Solar­zelle des ZSW mit einem Halb­leiter aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS). Die Perowskit­zelle entstand im Rahmen der Partner­schaft mit den belgischen Organisationen EnergyVille und Solliance.

Abb.: Aufbau eines Tandemmoduls aus Perowskit- (oben) und CIGS-<wbr>Solarzellen (unten; Bild: ZSW)

Abb.: Aufbau eines Tandemmoduls aus Perowskit- (oben) und CIGS-Solarzellen (unten; Bild: ZSW)

Tandemsolarzellen bestehen aus unter­schiedlichen, über­einander geschichteten Solar­zellen. Das Konzept elektrisiert viele Forscher: Die Schichten nutzen verschiedene Bereiche des Sonnen­licht­spektrums besser aus als die jeweilige Einfach­solar­zelle. Dadurch weisen die Mehr­fach­solar­zellen einen höheren Wirkungs­grad auf. Mittler­weile stehen mehrere Varianten von Tandem­zellen zur Verfügung.

Bei der belgisch-deutschen Kooperation wandelt eine Perowskitzelle das Licht im sichtbaren Teil des Sonnen­spektrums in Strom um, während das Licht im Infrarot-nahen Spektrum, das die Perowskit­zelle durchdringt, von einer CIGS-Solar­zelle aufgefangen wird. Beide Zelltypen sind in Dünn­schicht­technologie herstellbar und eignen sich besonders für flexible Hoch­effizienz­solarzellen und gebäude­integrierte Photo­voltaik­lösungen.

Bei der Rekord-Tandemzelle ist die Perowskit­solar­zelle über der CIGS-Zelle angeordnet. Die Tandem­zelle besitzt vier Anschlüsse und basiert auf einem voll skalierbaren Beschichtungs­konzept. So lässt sich der Prozess industriell nutzen. Den neuen Spitzen­wirkungs­grad erreichten die Wissenschaftler dank mehrerer Innovationen. Zum einen verbesserten sie die Transmission der Perowskit­zelle für Licht im Infrarot-nahen Spektrum durch verbesserte transparente Elektroden. Zum anderen vergrößerten sie die Band­lücke des Perowskit­materials auf 1,72 Elektronen­volt. Die Folge ist ein höherer Wirkungs­grad der Tandem­solarzelle.

Die CIGS-Zelle mit einer Größe von 0,5 Quadrat­zentimetern wurde in der Hoch­effizienz­anlage des ZSW unter Zuhilfe­nahme aller optimierten Prozesse hergestellt, die für die Fertigung von CIGS-Rekord­zellen erforderlich sind. Weitere Verbesserungen dieser Technologie werden letztlich den Weg für Dünn­schicht­solar­zellen mit Wirkungs­graden von mehr als dreißig Prozent ebnen.

„Wir arbeiten an zwei Arten von Tandem­zellen“, erklärt Tom Aernouts, Gruppen­leiter im Bereich Dünn­schicht­photo­voltaik bei imec. „Wir kombinieren unsere hoch­moderne Perowskit-Technologie mit Silizium- oder CIGS-Bottom­zellen. Der Vorteil an der CIGS-Technologie ist, dass es sich hier, genau wie beim Perowskit, um eine Dünn­schicht­technologie handelt und dass die Tandem­zellen dadurch in einer großen Format- und Größen­vielfalt produziert werden können. Das macht den Einsatz dieser Technologie in gebäude­integrierten Photo­voltaik-Anwendungen möglich. In Zukunft werden wir uns auf das Upscaling dieser Technologie auf größere Module konzentrieren. Außerdem werden wir die Entwicklung von Lösungen für Zellen mit zwei Anschlüssen aufgrund ihrer Bedeutung für die Photo­voltaik-Industrie voran­treiben. Am Ende zählt vor allem, wie unsere Ergebnisse von unseren Industrie­partnern angenommen und umgesetzt werden.“

„Der Rekordwirkungs­grad konnte aufgrund von zwei Faktoren erzielt werden“, so Michael Powalla, Vorstands­mitglied und Leiter des Geschäfts­bereichs Photo­voltaik beim ZSW. „Da ist zum einem die verbesserte Perowskit-Zelle und zum anderen einer der welt­weit besten Wirkungsgrade für CIGS-Zellen. Es gibt mehrere Parameter der CIGS-Zelle, die wir für die Kombination mit der Perowskit-Zelle optimieren können. Deshalb werden wir in Zukunft voraus­sichtlich noch bessere Wirkungs­grade erzielen, die wiederum weitere Kosten­einsparungen ermöglichen.“ Dieser Meilen­stein konnte durch die lang­jährige Zusammen­arbeit zwischen imec, dem ZSW und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erzielt werden.

ZSW / DE

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