Tandemsolarmodul mit Effizienz von 26,6 Prozent entwickelt

Tandemsolarmodul aus teiltransparentem Perowskit (l.) und CIGS.

Foto: ZSW

Tandemsolarmodule werden aus zwei übereinander liegenden Solarmodulen gebildet und können mehr elektrische Energie als herkömmliche Module liefern. Mit einem solchen Modul auf Dünnschichtbasis hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) jetzt einen Wirkungsgrad von 21,1 % erzielt. Der Vorteil der kombinierten Technik: Die Module sind leicht und biegsam und können daher vielfältig angewendet werden.

Oberes Modul: Perowskite mit überzeugenden Eigenschaften

Die heute vorwiegend verbauten Solarmodule auf Basis von Silizium kommen nach Jahrzehnten intensiver Forschung ihrer Wirkungsgradgrenze von rund 27 % bereits sehr nahe. Eine weiter gehende Erhöhung auf weit über 30 % versprechen aktuell nur Tandemsolarmodule aus übereinander geschichteten Solarzellen verschiedener Materialien. Ihre unterschiedlichen Aktivschichten nutzen zusammen die Breite des Sonnenlichtspektrums besser aus als die jeweilige Einfachsolarzelle und ermöglichen so eine bessere Effizienz. Eine aussichtsreiche Materialgruppe für Tandemsolarmodule sind die metallorganischen Perowskite. „Einige Verbindungen dieser Materialklasse zeigen hervorragende optische und elektronische Eigenschaften und sind reichlich und kostengünstig auf der Erde verfügbar“, erläutert Dr. Jan-Philipp Becker, Leiter des ZSW-Fachgebiets Photovoltaik: Materialforschung. „Sie nutzen im oberen Solarmodul dank ihrer hohen optischen Energiebandlücke den hochenergetischen Anteil des Sonnenspektrums sehr effizient. Gleichzeitig lassen sie einen beachtlichen niederenergetischen Anteil des Spektrums in das zweite, darunter befindliche Solarmodul durch.“

Unteres Modul: Materialmix CIGS als flexibler Partner

Für das untere Solarmodul liegt die Verwendung von konventioneller Silizium-Photovoltaik nahe. Noch interessanter ist nach Aussage des ZSW aber die ausschließliche Nutzung von Dünnschichttechnologien: Das untere Modul könne ebenfalls Perowskit sein oder – wie im ZSW-Modul – CIGS. CIGS ist ein Materialmix aus Kupfer, Indium und Gallium, der in Selenatmosphäre auf ein starres oder flexibles Trägermaterial aufgedampft wird. Diese Technologie haben die Experten am Institut in der Vergangenheit zusammen mit Industriepartnern bis zur Serienproduktion entwickelt. Im Vergleich zu Silizium kann die spektrale Absorption, also die Lichtaufnahme, beim CIGS ideal auf den Tandemverbund angepasst werden.

Das am ZSW entwickelte Tandemsolarmodul hat eine Größe von neun Quadratzentimetern und einen Wirkungsgrad von 21,1 %. Der Prototyp zeichnet sich zudem durch eine industrietaugliche und skalierbare Bauelementarchitektur aus. Die aktuellen Bestwerte für Tandemsolarmodule aus Perowskit und CIGS liegen mit 22 % nur wenig darüber. Bei kleineren Laborzellen erzielte das ZSW für diese Materialkombination sogar eine hervorragende Effizienz von 26,6 %.

Elektroden und Passivierung der Grenzflächen verbessert

Um diese Werte zu erreichen, waren mehrere technische Entwicklungsschritte nötig: Zunächst haben die Forschenden die jeweiligen Submodule optimiert, insbesondere das obere Perowskit-Halbmodul, das teiltransparent sein muss, um genügend Licht für das untere Modul durchzulassen. Hierfür haben sie unter anderem verbesserte transparente Elektroden entwickelt und die Passivierung der Grenzflächen verbessert. Bei allen präparierten Zellen und Modulen hat die jeweilige Tandemstruktur als Ganzes die Effizienz der Einzelzellen oder -module übertroffen. Damit konnte die Überlegenheit von Tandemsolarmodulen klar demonstriert werden. Das ZSW will die Tandem-Dünnschichttechnologie nun zusammen mit interessierten Industriekunden skalieren und weiterentwickeln. Die Arbeiten des ZSW und seines Partners Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entstanden im Rahmen des vor kurzem abgeschlossenen Forschungsprojekts CAPITANO.

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