Das effizienteste Silizium-Perowskit PV-Modul der Welt im industriellen Maßstab entwickelt
Ein Forschungsteam am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat erfolgreich ein PV-Modul mit einem Wirkungsgrad von 25 Prozent und einer Leistung von 421 Watt auf einer Fläche von 1,68 Quadratmetern entwickelt. Dieses Modul wird als das weltweit effizienteste Silizium-Perowskit-Tandem-Solarmodul im industriellen Maßstab betrachtet.
Das Tandem-PV-Modul gilt im industriellen Maßstab mit einem Wirkungsgrad von 25 Prozent als das leistungsstärkste Silizium-Perowskit-Photovoltaik-Modul weltweit.
Foto: Fraunhofer ISE / Bernd Schumacher
Photovoltaik-Module, die auf Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen basieren, weisen das Potenzial auf, erheblich höhere Wirkungsgrade zu erzielen als herkömmliche Silizium-PV-Module. Ein Forschungsteam am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat kürzlich ein PV-Modul mit einem Wirkungsgrad von 25 Prozent und einer Leistung von 421 Watt auf einer Fläche von 1,68 Quadratmetern entwickelt. Dieses Modul soll als das effizienteste Silizium-Perowskit-Tandemsolarmodul der Welt im industriellen Maßstab gelten. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzten für die Herstellung Anlagen im Module-TEC des Fraunhofer ISE, die bereits in der Massenproduktion eingesetzt werden, und optimierten die Prozesse speziell für die Tandemtechnologie.
Tandemsolarzellen mit einer rekordverdächtigen Leistung
Oxford PV, ein Spin-off der Universität Oxford, produziert in Kleinserie Perowskit-Silizium-Solarzellen im M6-Format mit einem Wirkungsgrad von 26,8 Prozent in seiner Fabrik in Brandenburg. Die kommerzielle Produktion der Tandemsolarzellen wird in diesem Jahr eingeleitet. „Dieser neue Weltrekord ist ein entscheidender Meilenstein für Oxford PV und beweist, dass unsere Tandemsolarzellen eine rekordverdächtige Leistung erbringen können, wenn sie zu Solarmodulen montiert werden“, kommentiert David Ward, Chief Executive Officer, Oxford PV, dieses Ergebnis in einer Pressemitteilung.
Perowskit-Silizium-Tandemzellen weisen ein theoretisches Wirkungsgradpotenzial von mehr als 43 Prozent auf, im Vergleich zu weniger als 30 Prozent bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Allerdings gibt es unterschiedliche Angaben zu dem Wirkungsgradpotenzial in verschiedenen Medien. Klar ist, sie sind deutlich effizienter als Silizium-Solarzellen.
In den letzten Jahren hat das Material Perowskit verstärkt Aufmerksamkeit erlangt, insbesondere im Zusammenhang mit sogenannten Halid-Perowskiten. Diese Minerale finden Anwendung in verschiedenen Technologien wie Solarzellen und Quantentechnologien. Um ihr Potenzial optimal zu nutzen, wäre es jedoch vorteilhaft, die optischen Eigenschaften dieser Minerale genauer zu analysieren und besser zu verstehen. Darüber haben wir bereits berichtet.
Aufgrund der Temperatursensibilität der Perowskit-Schicht in den Tandemzellen hat nun das Forschungsteam spezielle Niedertemperatur-Prozesse für die Verschaltung und Einkapselung der Solarzellen entwickelt. Diese Prozesse sind mechanisch besonders schonend für die Zellen.
„Diese sind für die industrielle Massenfertigung geeignet und können auf kommerziellen Anlagen umgesetzt werden, eine Anpassung heutiger PV-Modulfertigungslinien ist gut umsetzbar“, sagt Dr. Achim Kraft, Gruppenleiter für Verbindungstechnik am Fraunhofer ISE. Die Solarzellen wurden mittels leitfähigem Kleben verschaltet. Dr. Achim Kraft erklärt, dass diese Art der Verschaltung bereits im Module-TEC des Fraunhofer ISE im industriellen Maßstab eingesetzt wird. Er fügt hinzu, dass in Zukunft auch die Alternative getestet wird, die Solarzellen bei niedrigen Temperaturen zu verlöten.
Effizienz der Module im Sonnensimulator bestimmt
Für die Vermessung der Tandem-PV-Module nutzte das CalLab PV Modules des Fraunhofer ISE einen neuen multispektralen Sonnensimulator. Mit diesem Simulator kann die Effizienz der Module bestimmt werden. Dabei werden beide Zellschichten von unterschiedlichen LED-Lichtquellen bestrahlt, um möglichst präzise unter Bedingungen, die denen bei natürlichem Sonnenlicht entsprechen, die Leistung des Solarmoduls zu messen. Der Wirkungsgrad wurde über die designierte Fläche (1,68 Quadratmeter) berechnet. Aufgrund der Nichtvollständigkeit der standardisierten Messmethoden für diese neuartige Technologie wurde das angewendete Verfahren zusätzlich durch Freilandmessungen validiert.
Die Teams vom Fraunhofer ISE und Oxford PV streben nun die Zertifizierung des PV-Moduls an. Hierzu werden bereits intensive Tests zur Langzeitstabilität in den Klimakammern des TestLab PV Modules im Fraunhofer ISE durchgeführt.
Potenzial der Perowskit-Silizium-Tandemzellen
Dass Perowskit-Silizium-Tandemzellen sehr vielversprechend sind, zeigt auch die Tatsache, dass ein von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördertes Projekt vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie stammt und sich ebenso mit Forschung zu sogenannten Tandemsolarzellen befasst. Laut Katrin Anneser, einer Expertin der Stiftung, habe der Wirkungsgrad herkömmlicher Silizium-Solarzellen das physikalische Limit erreicht. Durch die zusätzliche Verwendung von Perowskit können verschiedene spektrale Anteile des Sonnenlichts effizient in Strom umgewandelt werden. Im Labor übertrifft die neuartige Solarzelle zumindest herkömmliche Silizium-Solarzellen um knapp 29 Prozent, erklärte Anneser noch 2023 in einem dpa-Bericht bezüglich geförderter Projekte zur Energiewende.
Zusätzlich wurde darüber berichtet, dass Forschende einen Ansatz entwickelt haben, um die Qualität von Perowskit-Solarzellen im Voraus vorherzusagen. Durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz wird es zukünftig möglich sein, die Stabilität und Produktionsprozesse dieser Solarzellen weiter zu optimieren und sie für den Markt zu qualifizieren.
Außerdem wurde berichtet, dass Bill Gates beschlossen hat, in das US-Unternehmen CubicPV zu investieren. Dieses Unternehmen hat sich auf die Entwicklung von Solarzellen spezialisiert, die Silizium und Perowskit kombinieren. Die Solarzellen weisen diesen Informationen zufolge einen beeindruckenden Wirkungsgrad von 30 Prozent auf.
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