Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen

»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 Dr. 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 5-10 Jahre weltweit die jährlichen Photovoltaik-Installationen auf mehr als 1 TWp steigen werden, müssen kritische Materialien bei der Herstellung von Solarmodulen konsequent vermieden werden.

Ausgehend von bekannten Perowskitabsorbermaterialien werden 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.