Fraunhofer-Leitprojekt »MaNiTU« entwickelt Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen

3.12.2019

Solarzellen mit höchsten Wirkungsgraden liefern Strom kostengünstig und verbrauchen dabei weniger Fläche und Ressourcen. Sie ermöglichen auch neue Produkte, wie Elektroautos, die sich über Solarzellen aufladen lassen. Der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen lässt sich aufgrund von physikalischen Grenzen nicht mehr beliebig steigern. Mit Tandemsolarzellen aus mehreren lichtabsorbierenden Schichten sind dagegen Wirkungsgrade von über 35 Prozent möglich, weshalb sie im Fokus der aktuellen Solarzellenforschung stehen. Im Fraunhofer-Leitprojekt »MaNiTU« entwickeln sechs Fraunhofer-Institute nachhaltige, höchsteffiziente und kostengünstige Tandemsolarzellen auf Basis neuer Absorbermaterialien.

Hocheffizienz-Solarzellen auf PKW
© Fraunhofer ISE
Hocheffizienz-Solarzellen können beispielsweise in Dächern von Elektrofahrzeugen integriert werden, um die Reichweite zu erhöhen.
Mikroaufnahme der Struktur einer Tandemzelle
© Fraunhofer ISE
Struktur einer Tandemzelle mit einer nur wenige 100 Nanometer dünnen Perowskit-Schicht, wie sie aktuell realisiert wird. Problematisch ist die Verwendung von Blei.

»Für Deutschland ergibt sich durch die Entwicklung innovativer und disruptiver Technologien wie Tandemsolarzellen die Chance, neben Forschung, Anlagenbau und Materialbereitstellung auch bei der Produktion der Solarzellen wieder eine internationale Spitzenstellung zu erreichen. So eröffnet MaNiTU auch eine alternative Perspektive für eine erfolgreiche europäische produzierende PV-Industrie«, erklärt Dr. Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, der die Leitung des Projekts innehat.

Im Mittelpunkt des Projekts »MaNiTU – Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen mit höchster Umwandlungseffizienz« steht die Perowskit-Solarzellentechnologie, die innerhalb der vergangenen zehn Jahre den Wirkungsgrad von 3,8 auf 24,2 Prozent steigerte, einfache Herstellung ermöglicht und sehr geringe Produktionskosten verspricht. Als Perowskit-Materialien gelten alle Materialien, deren Kristallstruktur der des Minerals Kalziumtitanat entspricht. Solche Werkstoffe können Licht besonders gut absorbieren und ermöglichen eine hohe Elektronenbeweglichkeit – ideal für den Einsatz in der Photovoltaik. Außerdem ist diese Materialklasse aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften auch für den Einsatz in Tandemstrukturen auf Basis von Siliziumsolarzellen geeignet.

Allerdings ist dieses Material wegen der Verwendung von Blei nicht unproblematisch. Da innerhalb der nächsten 5-10 Jahre weltweit die jährlichen Photovoltaik-Installationen auf mehr als 1 TWp steigen werden, müssen kritische Materialien bei der Herstellung von Solarmodulen konsequent vermieden werden. Ausgehend von bekannten Perowskitabsorbermaterialien werden deshalb in »MaNiTU« mit modernsten materialwissenschaftlichen Methoden neue bleifreie Absorberschichten sowie darauf abgestimmte Kontakt- und Passivierungsschichten entwickelt, wobei kritische und giftige Stoffe von Anfang an ausgeschlossen werden. Der innovative Ansatz, Absorber- und Kontaktschichten zusammen zu behandeln, ermöglicht es, Grenzflächeneffekte gezielt für die gewünschten Funktionalitäten einzusetzen. Die Perowskittechnologie wird dann mit der etablierten Silizium-Technologie kombiniert. Dazu werden die Perowskitsolarzellen direkt auf Siliziumsolarzellen abgeschieden. Weil die einzelnen Solarzellen jeweils unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums besonders effizient nutzen, steigt so insgesamt der Wirkungsgrad, und mit der gleichen Solarzellenfläche kann mehr Strom produziert werden. Zum Ende des Projekts werden Stabilität und hohe Wirkungsgrade auf Modulebene demonstriert.

Das Fraunhofer-Leitprojekt ist auf eine Laufzeit von vier Jahren angelegt. Ziel dieses Forschungsprogramms ist das Ausschöpfen des Fraunhofer-Synergiepotenzials durch die Zusammenführung von Kompetenzen mehrerer Fraunhofer-Institute, um Lösungen für Herausforderungen der deutschen Industrie zu liefern. Die ambitionierten »MaNiTU«-Projektziele verlangen das Zusammenführen der komplementären Kompetenzen verschiedener Fraunhofer-Institute – von theoretischer und experimenteller Materialwirtschaft bis zu technologischer, wirtschaftlicher und ökologischer Expertise zu Solarzellen.

 

Im Fraunhofer-Leitprojekt »MaNiTU« vereinen diese Fraunhofer-Institute ihre Kompetenzen:

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE: Entwicklung höchsteffizienter Tandemsolarzellen; Nachhaltigkeitsbewertung Gesamtsystem

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC: Nasschemische Materialsynthese; Applikation von partikelbasierten Elektroden-/Absorberschichten

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM: Materialdesign, atomistische Materialmodellierung und Computersimulation

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST: Erforschung & Anwendung von Beschichtungsprozessen; Nachhaltigkeitsbewertung & Optimierung von Energie- und Stoffströmen

Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS: Mikrostrukturelle Analytik und optoelektrische Charakterisierung für Perowskit-Solarzellen

Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS: Stoffkreisläufe; Entwicklung von bleifreien Substitutionsmaterialien

 

Link zur Projektseite: www.manitu.fraunhofer.de