Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) will die Tandem-Solartechnologie schneller in den Markt bringen. Zu diesem Zweck haben die Forscherinnen und Forscher zwei neue Beschichtungsanlagen in Betrieb genommen. Die dort hergestellten Tandemsolarzellen bestehen aus einer Perowskitsolarzelle, die mit verschiedenen anderen Solarzellentypen kombiniert werden kann.
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Solarmodule werden immer leistungsfähiger. Allerdings liegt die Effizienz der marktbeherrschenden Siliziumzellen bereits nahe dem praktischen Limit von rund 27 %. Eine Möglichkeit für noch höhere Wirkungsgrade bieten Tandemsolarzellen. «Sie bestehen aus unterschiedlichen, übereinander geschichteten Solarzellen», erklärt Jan-Philipp Becker, der neue Leiter des ZSW-Fachgebiets «Photovoltaik: Materialforschung» in einer Medienmitteilung. «Die Schichten nutzen zusammen die Breite des Sonnenlichtspektrums besser aus als die jeweilige Einfachsolarzelle.» Die obere Solarzelle wandelt das Licht im sichtbaren Teil des Sonnenspektrums in Strom um, die darunterliegende das Licht im infrarotnahen Spektrum. Durch die Kombination weisen die Tandemsolarzellen einen höheren möglichen Wirkungsgrad auf, der in den kommenden Jahren deutlich über die 30-Prozent-Marke steigen wird.
Hocheffizient, leichtgewichtig, flexibel
Besonders interessant sind Tandemsolarzellen mit sogenannten Perowskit-Schichten als lichtabsorbierendem Material. Perowskite sind Materialien, die die gleiche Kristallstruktur aufweisen wie das gleichnamige natürliche Mineral. Einige Verbindungen dieser Materialklasse zeigen hervorragende optische und elektronische Eigenschaften und sind reichlich und kostengünstig auf der Erde verfügbar. Als zweite absorbierende Schicht setzen die Forscherinnen und Forscher des ZSW auf Zellen aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS), aus Silizium oder erneut Perowskit, aber mit angepasstem spektralem Empfindlichkeitsbereich. Die Kombination der verschiedenen Zelltypen – Perowskit-CIGS, Perowskit-Silizium oder Perowskit-Perowskit – biete eine aussichtsreiche Möglichkeit, den Wirkungsgrad weiter deutlich zu steigern, schreibt das ZSW. Im Fall von Tandemsolarzellen mit dem Duo Perowskit-Perowskit oder Perowskit-CIGS gibt es aus Sicht der Forschenden neben der hohen Effizienz weitere Vorteile: Als Dünnschichttechnologie könnten die Module auch auf Kunststoff- oder Stahlfolien hergestellt werden und sind dann leichtgewichtig und flexibel.
Forschungsanlagen in Betrieb genommen
Um die Entwicklung auf dem Weg zur Marktreife voranzutreiben, hat das ZSW nun zwei Anlagen in Betrieb genommen: Eine zur Herstellung von Perowskit-Dünnschichtsolarzellen und eine für CIGS-Dünnschichtsolarzellen. Tandemsolarzellen mit Siliziumhalbleiter können auf verschiedenen Siliziumzellen externer Partner hergestellt werden. «Im Institut bestehen nun hervorragende Bedingungen für die Entwicklung von Tandemsolarzellen, insbesondere was die Prozesstechnik für die Herstellung von Solarzellen im Vakuum unter hochreinen Laborbedingungen betrifft. Damit wollen wir die physikalischen Grenzen der Technologie ausloten», sagt Becker. Mit den neuen Anlagen sollen innovative Prozesse für die Solarindustrie weiterentwickelt werden, die damit effizientere und kostengünstigere Solarmodule auf den Markt bringen können. Die vier Beschichtungskammern des Perowskit-Clusters sind um einen Zentralroboter herum gruppiert und können verschiedenste Solarzellenschichten herstellen. In der Anlage sind künftig Mehrkomponenten-Perowskit-Schichten mit hoher Homogenität und Reproduzierbarkeit herstellbar. Erste Optimierungen im Zellaufbau mit aufgedampften organischen Elektronenleiterschichten hat das ZSW bereits erfolgreich durchgeführt.
