Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat zwei Beschichtungsanlagen zur Produktion von Tandemsolarzellen in Betrieb genommen. Hier sollen verschiedene Zelltechnologien mit Perowskitsolarzellen – einem Halbeiter bestehend aus Metallhalogeniden – kombiniert werden. Damit wollen die Forscher gemeinsam mit verschiedenen Herstellern die Entwicklung hin zur Industriefertigung solcher Tandemzellen optimieren.
Tandemsolarzellen weiterentwickeln
Damit habe das ZSW hervorragende Bedingungen für die Entwicklung von Tandemsolarzellen geschaffen, vor allem was die Prozesstechnik für die Herstellung von Solarzellen im Vakuum unter hochreinen Laborbedingungen betrifft“, betont Jan-Philipp Becker, Leiter der Materialforschung für die Photovoltaik am ZSW. „Damit wollen wir die physikalischen Grenzen der Technologie ausloten“, sagt er. Dabei helfe auch die bereits vorhandenen, umfangreichen Möglichkeiten zur Materialanalytik.
Produzierte Zellen analysieren
Denn so können die hergestellten Solarzellen und Module nach der Fertigung umfassend analysiert und im eigenen Testlabor sowie im Freifeld auf ihre Langzeitstabilität getestet werden. Mit den neuen Anlagen sollen innovative Prozesse für die Solarindustrie weiterentwickelt werden, die damit effizientere und kostengünstigere Solarmodule auf den Markt bringen können.
Effizienz von über 30 Prozent ist möglich
Schließlich versprechen solche Tandemzellen, vor allem kombiniert mit Perowskiten, höher Wirkungsgrade als sie mit einfachen kristallinen Solarzellen oder anorganischen Dünnschichthalbleitern möglich wären. So liegt das Limit von kristallinen Siliziumzellen bei etwa 27 Prozent Effizienz. Hier bietet die Tandemzellen einen Ausweg. „Sie bestehen aus unterschiedlichen, übereinander geschichteten Solarzellen“, erklärt Jan-Philipp Becker. „Die Schichten nutzen zusammen die Breite des Sonnenlichtspektrums besser aus als die jeweilige Einfachsolarzelle.“ Schließlich wandeln die einzelnen Schichten jeweils Licht in unterschiedlichen Wellenlängen in Strom um. Durch die Kombination können die Tandemsolarzellen in den kommenden Jahren Wirkungsgrade von deutlich über 30 Prozent erreichen.
Verschiedene Halbleiter mit Perowskit kombinieren
Auf der Forschungslinie konzentrieren sich die Stuttgarter aber auf die Kombination mit Perowskiten. So ist in allen Fällen eine Solarzelle mit diesem Halbleitermaterial die Grundlage. Als zweite absorbierende Schicht bringen die Forscher des ZSW dann entweder eine CIGS-Halbleiterschicht oder eine kristalline Siliziumzelle oder eine zweite Perwoskitzelle auf.
ZSW
Dazu haben die Forscher des ZSW vier Beschichtungskammern für die Produktion von Perowskitzellen um einen Zentralroboter herum gruppiert. Dadurch können sie verschiedene Solarzellenschichten herstellen – mit gesputterten transparenten Schichten, verdampften metallischen oder organischen Schichten sowie einer optimierten Vakuumbeschichtung von Perowskiten in einer Vakuumkammer. In der Anlage können künftig Mehrkomponenten-Perowskit-Schichten mit hoher Homogenität und Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Erste Optimierungen im Zellaufbau mit aufgedampften organischen Elektronenleiterschichten hat das ZSW bereits erfolgreich durchgeführt.
Verschiedene Lichtwellen nutzen
Interessant für die Forscher ist aber vor allem die Kombination verschiedener Perowskite. Diese ist besonders vorteilhaft, weil die einzelnen Perowskitschichten präzise an die Nutzung spezifischer Spektralbereiche des Lichts angepasst werden können. Zusätzlich dazu haben Perowskit-Perowskit-Tandems genau wie die Kombinationen mit der CIGS-Schicht den Vorteil, dass diese auf Kuststoff- oder Stahlfolien aufgebraucht werden können. Damit sind leichte und flexible Solarmodule möglich, die vor allem für die bauwerkintegrierte Photovoltaik entscheidend sein können. Solche Module können aber auch überall eingesetzt werden, wo wenige Traglastreserve vorhanden ist oder wo die Flexibilität Voraussetzung ist, wie etwa im Fahrzeugbereich. (su)
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