Ein Schritt nach vorne für die Effizienz von Solarzellen
Die Photovoltaiktechnik (PV), die darauf basiert, Elektrizität aus der Sonne zu erzeugen, erreicht eine immer größere Wettbewerbsfähigkeit, da die Kosten für die Herstellung von Modulen, die auf kristallinem Silizium basieren, immer weiter sinken. Hierdurch wird eine neue Generation ultrahocheffizienter Photovoltaikgeräte gefördert, die unter anderem im Rahmen des HERCULES-Projekts entwickelt worden sind. Die Solarzelleneffizienz steht für den Anteil des verfügbaren Sonnenlichts, der über Photovoltaiktechnik in Elektrizität umgewandelt werden kann. „Mehr Effizienz bedeutet mehr erzeugte Watt und somit letztlich weniger Kosten pro Modul“, sagt Delfina Munoz vom Solar Technologies Department der French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA), die ebenfalls als Koordinationspartner bei dem Projekt fungiert. „Des Weiteren kann weniger Platz für die gleiche Stromleistung genutzt werden und dies senkt ebenfalls die damit verbundenen Produktionskosten“, meint Munoz weiter. Mit 15 Partnern aus Frankreich, Deutschland, der Schweiz, Spanien, Norwegen, den Niederlanden und Ungarn und über die Koordinierung via CEA und INES (National Solar Institute) überwand HERCULES die technischen Schwierigkeiten zur Verbesserung der aktuellen Solarzellenleistung. Munoz erklärt: „Die theoretische Wirkungsgradgrenze für die Siliziumsolarzellen liegt bei ungefähr 29 %. Schon das Erreichen von 25 % ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die Optimierungen sowie quasi eine Perfektionierung aller Parameter erforderlich macht, die sich auf die Effizienz auswirken.“ HERCULES war darauf ausgerichtet, die Effizienz mithilfe eines neuen Entwurfs zu verbessern, der eine einfache, effiziente und kosteneffektive Herstellung von Photovoltaikgeräten ermöglicht. Bestehende Solarzellen weisen eine Betriebseffizienz zwischen 18 und 20 % auf. Das Konzept von Solarzellen gründet auf der Schaffung innovativer Strukturen, die auf einer Einzellkristallform von Silizium basieren (monokristallines n-Typ-Silizium oder c-Si), ihr Design beinhaltet jedoch sowohl Bifacial-Heteroübergänge (SHJ) als auch interdigitierte Rückkontakte (Interdigitated Back contact, IBC). Eine SHJ-Solarzelle vereint in sich monokristalline und amorphe Siliziumschichten, eine Struktur, welche den Energieverlust minimiert. Die IBC-Technologie ermöglicht einen höheren Stromfluss, da sich die Kontakte auf der Rückseite der Zelle befinden. Hierdurch werden Schatteneffekte beseitigt, die durch die Gegenwart anderer Materialien an der Geräteoberfläche verursacht werden. Die Bildung von Schatten zählt zu den wesentlichsten Ursachen für Verluste in einem PV-System und kann sich über eine Senkung der Ausgangsleistung an der gesamten Geräteoberfläche überproportional auswirken. Im Rahmen des auf 3 Jahre ausgelegten, im November 2016 abgeschlossenen Projekts, entwickelte das HERCULES-Konsortium erfolgreich großflächige SHJ-Solarzellen, die im Labormaßstab eine Effizienz von nahezu 23 % erreichen. Die Projektpartner Meyer Burger in der Schweiz sowie INES in Frankreich haben Pilotlinien entwickelt und können bis zu 2 400 Wafer pro Stunde erzeugen. Über die Maßstabsvergrößerung der Produktion auf mehr als 100 000 SHJ-Zellen mit Effizienzen von über 22 % wurde zudem die industrielle Einsatzbereitschaft demonstriert. Das Konsortium stellte überdies eine IBC-Zelle mit einer Effizienz von mehr als 24 % her, von denen mehr als 1 200 Stück industriell gefertigt worden waren. Darüber hinaus wurden kombinierte IBC-SHJ-Hocheffizienzgeräte mit einer Effizienz von über 22,5 % entworfen. Im Rahmen des Projekts wurde zusätzlich an neuen Gestaltungslösungen gearbeitet, um Solarzellen effizienter mit Panels zu verbinden. „Einer der Schlüssel zum Erfolg ist es, die Kosten niedrig zu halten. Wir haben sowohl für die IBC- als auch die SHJ-Technologien Gesamtbetriebskosten von weniger als 0,4 $ pro Watt (bei Spitzenleistung – bei Betrieb unter voller Sonneneinstrahlung) demonstriert“, sagt Munoz. „Diese Kennzahl bestimmt die direkten und indirekten Betriebskosten und unsere ultrahocheffizienten Geräte sind bereits dazu in der Lage, es mit den aktuellen Solarpanelkosten aufzunehmen.“
Schlüsselbegriffe
HERCULES, utrahocheffiziente Photovoltaiktechnik, Solarenergie, Rückkontaktzellen, Bifacial-Heteroübergang (SHJ) und interdigitierter Rückkontakt (Interdigitated Back contact, IBC)
