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Production technology to achieve low Cost and Highly Efficient phOtovoltaic Perovskite Solar cells

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Entwicklungsschub für Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen

Anders als die berechenbare Menge an Sonnenenergie entwickelt sich der Solarzellsektor kontinuierlich weiter. Nun erzielten EU-finanzierte Forscher die bislang weltweit höchste Umwandlungseffizienz mit einem Material der dritten Generation, das auf Silizium abgeschieden wird.

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Seit die Bell Laboratories im Jahr 1954 erstmals eine funktionierende kristalline Siliziumsolarzelle vorstellten, hat sich die Photovoltaik (PV) rasant weiterentwickelt. Da man mit dem Wirkungsgrad jedoch an der theoretischen Grenze angelangt ist, läuft die Suche nach neuen Materialien und Methoden weiter, um die Effizienz zu steigern und Kosten zu senken. Zu den vielversprechendsten Technologien der dritten Generation, an denen derzeit geforscht wird, gehören Perowskite, eine Klasse kristalliner Organometallhalogenide, in die viele verschiedene Kationen integriert werden können. In den letzten zehn Jahren hat sich die Effizienz exponentiell verbessert, sodass man bis 2028 mit einem wachsenden Markt in Höhe von mehr als 500 Mio. USD rechnet. Das EU-finanzierte Projekt CHEOPS sollte nun durch bahnbrechende Fortschritte bei der Effizienz und Prozessführung die industrielle Produktion von Solarzellen auf Perowskit-Basis möglich machen. Herkömmliches Silizium absorbiert energiearme Photonen. Mit Perowskit jedoch lässt sich die Lichtausbeute enorm steigern, da auf einzigartige Weise Photonen des energiereicheren blauen Lichts genutzt werden können. So wollen die Forscher das Potenzial des Materials nun für eine kostengünstige großtechnische Produktion ausschöpfen und Perowskit in die aktiven Schichten einbringen. Solarzellen auf Perowskit-Basis werden deutlich leistungsfähiger Die technologische Herausforderung bestand zunächst darin, den Wirkungsgrad von Einzelverbindungs-Perowskit-Zellen zu erhöhen und anschließend im so genannten Tandem-Verfahren eine Schicht Perowskit auf dem Silizium wachsen zu lassen. Die Forscher von CHEOPS skalierten nun einen bleiarmen 1x1 cm2-Perowskit-Einzelverbindungs-Laborprototypen mit einem Wirkungsgrad von 15 % auf ein 10x10 cm2-Demonstratormodul mit minimalem Verlust des Wirkungsgrades hoch, was einer der größten Projekterfolge war. Nun musste noch das Problem gelöst werden, die Prozesse dieser neuen Technologie besser steuern zu können. Hierfür forschte die Gruppe an neuen Abscheideverfahren für eine gleichmäßige großflächige Beschichtung von Kompaktfolien, wie sie industriellen Anforderungen entspricht. Zur Perowskit-Silizium-Tandem-Technologie erklärt Projektkoordinator Nicolay Sylvain: „CHEOPS demonstrierte erstmals, dass Perowskit-Topzellen auf Silizium-Bottomzellen mit vollständig strukturierter Oberfläche wachsen können. Da solche texturierten Zellen für handelsübliche Silizium-PV-Zellen verwendet werden, könnte diese Art der Nutzung die künftige Arbeit mit Perowskiten entscheidend voranbringen. Zudem wiesen mehrere CHEOPS-Partner bislang höchste Wirkungsgrade weltweit nach.“ Die Perowskit-Silizium-Heterojunction-Tandemzelle (1,43 cm2) erzielte eine Umwandlungseffizienz von 25,4 % und übertraf damit den bisherigen Weltrekord von CHEOPS-Partnern. Die Wissenschaftler entwickelten auch einheitliche und Standardprotokolle für die Messung, um die unterschiedlichen Ansätze besser vergleichen zu können. Sylvain erklärt: „Derzeit sind die Protokolle zur Messung von PV-Modulen auf Perowskit-Basis noch sehr unterschiedlich, was Vergleiche erschwert. Das einheitliche Messprotokoll der CHEOPS-Partner liegt nun in Form eines Weißbuchs vor.“ Grünes Licht für Solarzellen auf Perowskit-Basis Das Team sollte in sozioökonomischen Analysen die Rentabilität bei der Entwicklung der Technologie belegen. Laut Sylvain handelt es sich bei „Perowskiten in jedem Fall um eine Technologie, die die PV-Landschaft stark verändern wird, da die PV-Module effizienter und kostengünstiger sind.“ Aufbauend auf ihren großen Erfolgen bei der Demonstration der Verdampfung von Perowskit auf volltexturierten Siliziumbottomzellen und dem geringen Wirkungsgradverlust zwischen Zelle und Modul bei Perowskit-Einzelverbindungszellen führen mehrere Partner bereits Gespräche mit Herstellern, die die Projektergebnisse nutzen wollen. Die Zukunft für Perowskit-PV-Module ist vielversprechend, und die Beiträge von CHEOPS ebnen den Weg für die europäische Führungsrolle in diesem wichtigen Bereich.

Schlüsselbegriffe

CHEOPS, Perowskit, Zellen, Silizium, Effizienz, PV, Solar, Solarzellen, Einzelverbindung, Tandem-Zelle

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