ZSW entwickelt Tandem-Solarmodul mit über 21 % Wirkungsgrad
Tandemsolarmodul aus teiltransparentem Perowskit (links) und CIGS (rechts).
Bild: ZSW
Hocheffiziente und kostengünstige Solarmodule ermöglichen einen schnelleren Ausbau der Photovoltaik. Eine vielversprechende Technologie für die nächste Generation sind Tandem-Solarmodule. Sie werden aus zwei übereinander liegenden Solarmodulen gebildet und liefern so mehr elektrische Energie als aktuelle Modelle. Mit einem solchen Modul auf Dünnschichtbasis hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) jetzt einen Wirkungsgrad von 21,1 % erzielt. Diese Dünnschichtmodule sind nach Angaben des Instituts hocheffizient und lassen sich leichtgewichtig sowie biegsam herstellen. Somit können sie auch außerhalb der klassischen Installation in Form von starren Modulen im Solarpark weitere Anwendungsfelder erschließen.
Die heute fast ausschließlich verbauten Solarmodule auf Basis von Silizium kommen nach Jahrzehnten intensiver Forschung ihrer praktischen Wirkungsgradgrenze von rund 27 % bereits sehr nahe. Eine weiter gehende Erhöhung auf weit über 30 % versprechen aktuell nur Tandem-Solarmodule aus übereinander geschichteten Solarzellen verschiedener Materialien. Ihre unterschiedlichen Aktivschichten nutzen zusammen die Breite des Sonnenlichtspektrums besser aus als die jeweilige Einfachsolarzelle und ermöglichen so eine bessere Effizienz.
Eine aussichtsreiche Materialgruppe für Tandem-Solarmodule sind die metallorganischen Perowskite. „Einige Verbindungen dieser Materialklasse zeigen hervorragende optische und elektronische Eigenschaften und sind reichlich sowie kostengünstig auf der Erde verfügbar“, erklärt Dr. Jan-Philipp Becker, Leiter des ZSW-Fachgebiets Photovoltaik: Materialforschung.
Optimale Anpassung an das Sonnenspektrum
Für das untere Solarmodul liegt die Verwendung von konventioneller Silizium-Photovoltaik nahe. Noch interessanter sei aber die ausschließliche Nutzung von Dünnschichttechnologien: Das untere Modul kann ebenfalls Perowskit sein oder – wie im ZSW-Modul – CIGS. CIGS ist ein Materialmix aus Kupfer, Indium und Gallium, der in Selenatmosphäre auf ein starres oder flexibles Trägermaterial aufgedampft wird. Diese Technologie haben die Fachleute am Institut in der Vergangenheit zusammen mit Industriepartnern bis zur Serienproduktion entwickelt. Im Vergleich zu Silizium kann die spektrale Absorption, also die Lichtaufnahme, beim CIGS ideal auf den Tandemverbund angepasst werden.
Aufbau des Tandem-Moduls aus Perowskit (oben) und CIGS-Modul (unten).
Bild: ZSW
Das Tandem-Solarmodul des ZSW hat eine Größe von 9 cm2 und einen Wirkungsgrad von 21,1 %. Dieser Prototyp zeichne sich zudem durch eine industrietaugliche und skalierbare Bauelementarchitektur aus. Die aktuellen Bestwerte für Tandem-Solar-module aus Perowskit und CIGS liegen nach Angaben des Instituts mit 22 % nur wenig darüber. Bei kleineren Laborzellen erzielte das ZSW für diese Materialkombination bereits eine Effizienz von 26,6 %.
Dünnschichttechnologie hat weitere Vorteile
Das ZSW will die Tandem-Dünnschichttechnologie nun zusammen mit interessierten Industriekunden weiter hochskalieren und weiterentwickeln. Denn neben der hohen Effizienz biete die Lösung weitere Vorteile: Als Dünnschichttechnologie können die Module auch auf Kunststoff- oder Stahlfolien hergestellt werden und sind dann leichtgewichtig sowie flexibel. Dadurch eignen sie sich neben der klassischen Installation im Solarpark auch für weitere Anwendungen wie die nahtlose Integration ins Fahrzeug oder die Installation auf Fabrikhallen, die keine großen Lasten tragen können.
Darüber hinaus fallen nach aktuellen Studien nicht nur die Stromgestehungskosten geringer aus, auch die Gesamt-Umweltbilanz der Dünnschicht-Photovoltaik ist aufgrund des geringen Material- und Energieeinsatz während der Herstellung sehr gut. Die Arbeiten des ZSW und seines Partners Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entstanden im Rahmen des vor kurzem abgeschlossenen Forschungsprojekts Capitano, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wurde.
