Panorama

Neue Materialien für Tandemsolarzellen

04.12.2019 - Leitprojekt „MaNiTU“ soll zu neuen Absorbermaterialien für nachhaltige Tandemsolarzellen führen.

Solarzellen mit höchsten Wirkungs­graden liefern Strom kostengünstig und verbrauchen dabei weniger Fläche und Ressourcen. Sie ermög­lichen auch neue Produkte, wie etwa Elektroautos, die sich über Solarzellen aufladen lassen. 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 Prozent möglich, weshalb sie im Fokus der aktuellen Solarzellen­forschung stehen. Im Fraunhofer-Leitprojekt „MaNiTU“ entwickeln sechs Fraunhofer-Institute nachhaltige, höchst­effiziente 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.

Im Mittelpunkt des Projekts „MaNiTU – Materialien für nachhaltige Tandem­solarzellen mit höchster Umwandlungs­effizienz“ steht die Perowskit-Solarzellen­technologie, die innerhalb der vergangenen zehn Jahre den Wirkungsgrad von 3,8 auf 24,2 Prozent 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.

Allerdings ist dieses Material wegen der Verwendung von Blei nicht unproble­matisch. Da innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre weltweit die jährlichen Photo­voltaik-Instal­lationen auf mehr als ein Terawatt steigen werden, müssen kritische Materialien bei der Herstellung von Solarmodulen konsequent vermieden werden. Ausgehend von bekannten Perowskit­absorber­materialien werden deshalb in „MaNiTU“ mit modernsten 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. Zum Ende des Projekts werden Stabilität und hohe Wirkungsgrade auf Modulebene demonstriert.

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.

Fh.-ISE / JOL

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