Sechs Fraunhofer-Institute haben Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen weiterentwickelt in Richtung einer industrienahen Produktion mit hohen Wirkungsgraden. Darüber berichtet das Fraunhofer ISE. Dafür haben sie im Leitprojekt »MaNiTU« über einen Zeitraum von fünf Jahren kooperiert. Hierbei konnten sie zeigen, dass hohe Wirkungsgrade mit industrienahen Prozessen realisierbar sind.

Die Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stellten dabei zahlreiche neue Materialien mit Perowskit-Kristallstruktur her und verglichen diese auf Zellebene mit bekannten Materialien. Hohe Effizienzen ließen sich allerdings nur mit bleihaltigen Perowskiten erzielen. Daher entwickelten die Forschenden geeignete Recycling-Konzepte, um die Nachhaltigkeit zu sichern.

Das Forschungsteam realisierte hocheffiziente Demonstratoren, zum Beispiel eine Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle über 100 Quadratzentimeter mit Siebdruckmetallisierung sowie Minimodule für einzelne und verschaltete Tandemsolarzellen. Vollständige Lebenszyklusanalysen ergaben, dass mit geeigneten Produktions- und Recyclingverfahren sowie Degradationsraten, die mit der heutigen Siliziumtechnologie vergleichbar sind, ein nachhaltiges Produkt zur Verfügung steht.

Skalierbare Perowskit-Silizium-Solarzelle mit 31,6 Prozent Wirkungsgrad

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschten ferner an Herstellungsprozessen für Perowskit-Materialien, die auf großen Flächen industriell umsetzbar sind. Dank der sogenannten »hybriden Route«, eine Kombination aus Aufdampfen und nasschemischer Abscheidung, realisierten sie Perowskit-Dünnschichten mit hoher Qualität auf industriell texturierten Siliziumsolarzellen. Das Forschungsteam konnte so eine volltexturierte Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit 31,6 Prozent Effizienz auf 1 Quadratzentimeter Zellfläche erzielen. »Eine enge Industriekooperation ist jetzt der nächste Schritt, um diese Zukunftstechnologie in Europa aufbauen zu können,« resümierte Prof. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE und Koordinator des Fraunhofer-Leitprojekts.

Im Fokus der Materialentwicklung standen neben gängigen bleihaltigen Perowskitverbindungen insbesondere nicht-giftige, bleifreie Alternativen. »Insbesondere die skalierbare, semi-kontinuierliche Perowskit-Synthese in Pulverform mittels Sprühtrocknung stellt eine geeignete Screening-Methode für eine Vielzahl von Verbindungen und deren potenzieller Synthese dar. Die Methode lässt sich auch auf industrierelevante Mengen anwenden.«, erklärte Dr. Benedikt Schug, Leiter der Partikeltechnologie am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC. Jedoch konnte das Forschungsteam mit keinen aus der Theorie vorhergesagten und experimentell synthetisierten bleifreien Materialien Tandemsolarzellen mit ausreichender Effizienz realisieren, da die intrinsischen Materialqualitäten nicht ausreichend hoch waren.

Recycling bleihaltiger Perowskite

Um den gesamten Produktlebenszyklus der Tandemsolarzellen zu berücksichtigen, betrachteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch das Thema Recycling und Möglichkeiten einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft. Sie führten eine detaillierte Bewertung der Umweltauswirkungen der Produktion, der Nutzungsphase und des Produktlebensendes der Tandemsolarzellen durch und entwickelten Recyclingkonzepte für Perowskit-Tandemmodule. »Durch den Einsatz von fortschrittlichen Recyclingprozessen kann eine Kreislaufwirtschaft für Photovoltaiksysteme auch für bleihaltige Perowskite geschaffen und eine langfristige Energieeffizienz gewährleisten werden«, fasste Prof. Dr. Peter Dold, Leiter der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS, die Ergebnisse zusammen.

Quelle: Fraunhofer ISE | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH