Fraunhofer-Leitprojekt ebnet Weg für nachhaltige Tandem-Solarzellen
Ein Fraunhofer-Leitprojekt hat über fünf Jahre hinweg geforscht, um den Weg für eine neue Generation von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen zu ebnen. Durch die Zusammenarbeit von sechs Instituten konnten die Teams wichtige Erkenntnisse zu nachhaltigen Materialien, skalierbaren Produktionsverfahren und geeigneten Recyclingkonzepten gewinnen.
Ein Fraunhofer-Projekt hat neue Lösungen für die Photovoltaik-Industrie entwickelt.
Foto: PantherMedia / gyuszko
Im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts „MaNiTU“ haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus sechs Fraunhofer-Instituten ihre Expertise gebündelt, um neue Lösungen für die Photovoltaik-Industrie zu entwickeln. Ziel war es, Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen aus langlebigen Materialien zu fertigen und dabei auf skalierbare Produktionsprozesse zu setzen. Trotz intensiver Forschung an bleifreien Alternativen erzielten die Forschenden die höchsten Wirkungsgrade mit bleihaltigen Perowskiten. Um dennoch die Nachhaltigkeit zu gewährleisten, entwickelten sie passende Recyclingkonzepte. Die Projektergebnisse ebnen den Weg für den nächsten Sprung in der Solarzellenproduktion und positionieren die Fraunhofer-Gesellschaft an der Weltspitze der Photovoltaik-Forschung.
Wichtigstes Ergebnis des Projekts war die Entwicklung einer skalierbaren Perowskit-Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 31,6 Prozent auf einer Fläche eines Quadratzentimeters. Das wurde durch die Kombination von Aufdampfen und nasschemischer Abscheidung, der sogenannten „hybriden Route“, ermöglicht. Dank dieser Methode konnten die Forschenden hochwertige Perowskit-Dünnschichten auf industriell texturierten Siliziumsolarzellen realisieren. Andreas Bett, Koordinator des Leitprojekts, betonte die Bedeutung einer engen Zusammenarbeit mit der Industrie, um die neuartige Technologie in Europa zu etablieren. Die erzielten Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von Tandem-Solarzellen für eine effiziente und nachhaltige Energiegewinnung.
Suche nach bleifreien Alternativen für Solarzellen
Neben der Optimierung gängiger bleihaltiger Perowskite lag ein Schwerpunkt des Projekts auf der Erforschung ungiftiger, bleifreier Materialien für Solarzellen. Durch die Verknüpfung von theoretischen Simulationen, experimenteller Materialsynthese und Zellherstellung gewannen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Erkenntnisse über die Stabilität und Eigenschaften verschiedener Perowskitverbindungen. Insbesondere die skalierbare Pulversynthese mittels Sprühtrocknung erwies sich als vielversprechende Screening-Methode, die auch auf industrierelevante Mengen anwendbar ist, wie Benedikt Schug vom Fraunhofer ISC erläuterte. Trotz intensiver Forschung konnten jedoch keine bleifreien Materialien gefunden werden, die in Tandem-Solarzellen eine ausreichend hohe Effizienz erreichten.
Recyclingkonzepte für nachhaltige Solarzellen
Um die Nachhaltigkeit von Tandem-Solarzellen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg zu gewährleisten, widmete sich das Forschungsteam auch dem Thema Recycling. Ziel war es, Konzepte für eine geschlossene Kreislaufwirtschaft zu entwickeln. Dazu führten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler detaillierte Bewertungen der Umweltauswirkungen in den Phasen Produktion, Nutzung und Produktlebensende durch. Peter Dold vom Fraunhofer IWKS fasste zusammen, dass durch fortschrittliche Recyclingprozesse eine Kreislaufwirtschaft für Photovoltaiksysteme auch bei Verwendung bleihaltiger Perowskite realisierbar sei. Auf diese Weise könne eine langfristige Energieeffizienz sichergestellt werden, ohne die Umwelt zu belasten.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt lag auf der Entwicklung industrienaher Anlagenkomponenten und Beschichtungstechnologien zur Kontaktierung der empfindlichen Perowskit-Teilzelle. Die geringe Temperaturbeständigkeit der Perowskite stellte dabei eine Herausforderung dar, da bei der Herstellung des Frontkontaktsystems maximal 100 °C zulässig sind. Zudem musste ein transparent leitfähiges Oxid auf der Zelle abgeschieden werden. Die Forschenden erarbeiteten eine neuartige Prozesskette, die ALD- und Verdampfungsprozesse in einer SALD-Hybridanlage kombiniert und durch einen abschließenden Sputterprozess ergänzt wird. Volker Sittinger vom Fraunhofer IST betonte das Ziel, diese Entwicklung gemeinsam mit Anlagenbauern und Endanwendern von der Forschung in die praktische Anwendung zu überführen.
Charakterisierung und Simulation von Solarzellen
Die Charakterisierung von Tandem-Solarzellen bildete einen weiteren Schwerpunkt des Projekts. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten Methoden zur schädigungsfreien Analyse der Silizium- und Perowskit-Teilzellen. Basierend auf den gewonnenen Daten erstellten sie ein opto-elektrisches Simulationsmodell, mit dem sie eine umfassende Verlustanalyse durchführten und eine praktische Obergrenze des Wirkungsgrads von 39,5 Prozent ermittelten. Darüber hinaus optimierten sie die mikrostrukturelle Analytik der Solarzellen. Am Fraunhofer IMWS evaluierten sie schädigungsarme Focused Ion Beam-Techniken, um industrielle Tandemsolarzellen für hochauflösende Analysen im Transmissionselektronenmikroskop zu präparieren. Spezielle Probenhalter und Methoden zur Untersuchung von Schichtdicken, Bedeckungsgraden und chemischen Bindungen wurden ebenfalls entwickelt.
Ein zentraler Aspekt des Leitprojekts war die Modellierung von Absorbermaterialien und Materialgrenzflächen. Die Forschenden des Fraunhofer IWM erarbeiteten Berechnungsmodelle, mit denen sich die strukturellen und photovoltaischen Eigenschaften relevanter Absorber-Materialien sowie deren Grenzflächen zu transparenten und leitfähigen Kontakt-Materialien präzise beschreiben lassen. Dazu entwarfen sie einen Computational Simulation Workflow, der nicht nur in der Photovoltaik, sondern auch für andere Technologien im Bereich nachhaltiger Ressourcen elektrischer Energie einsetzbar ist. Dieser Workflow macht es möglich, Materialfragen in verschiedenen Anwendungsgebieten, wie beispielsweise auch das Gewinnen, Umwandeln, Speichern, Verteilen und Nutzen von Wasserstoff, zu beantworten. Die entwickelten Modelle tragen somit dazu bei, die Effizienz und Nachhaltigkeit von Energietechnologien zu verbessern.
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