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Perowskit-Tandemsolarzellen in die Großserienfertigung bringen: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie bewilligt 2,8 Millionen Euro
Entwicklung der hocheffizienten Silizium-Heterojunction-Solarzellen am PVcomB mit industrienahen Prozessen. Foto: HZB/S. Janke
Das HZB beteiligt sich an einem neuen Konsortium, das die industrielle Produktion von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen voranbringen will. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 2,8 Millionen Euro gefördert. Die Oxford PV Germany GmbH, die eine Pilotlinie für solche Solarzellen in Brandenburg/Havel betreibt, koordiniert das Projekt. (24.08.2018)
Weitere Partner sind die Von Ardenne GmbH, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und die Technische Universität Berlin. Das Konsortium bündelt verschiedene Expertisen, um die industrielle Großserienfertigung von Perowskit-Tandemsolarzellen vorzubereiten. Ein wichtiger Schritt ist dabei die Optimierung der Solarzellenarchitektur, um Effizienzsteigerungen bei industriellen Waferformaten von 156 mm x 156 mm zu erzielen. Im Fokus stehen auch die Etablierung der industriellen Prozesstechnologie und eine Lebenszyklusanalyse, um die sozial-ökologischen Auswirkungen der Perowskit-Silizium-Tandemtechnologie zu ermitteln.
„Diese Tandemsolarzellen sind sehr vielversprechend und erzielen bereits sehr hohe Wirkungsgrade. In den letzten Jahren haben wir starke Kompetenzen in der Perowskit- und Tandemzellentechnologie aufgebaut, unter anderem im Rahmen des Helmholtz Innovation Lab HySPRINT", sagt Prof. Dr. Rutger Schlatmann, Leiter des Kompetenzzentrums für Dünnschicht und Nanotechnologie für Photovoltaik (PvcomB) am HZB. „In das Konsortium mit Oxford PV bringen wir unsere große Expertise bei hocheffizienten Silizium-Heterojunction-Zellen ein", ergänzt Dr. Bernd Stannowski, der diese Aktivitäten am PVcomB leitet.
Dr. Chris Case, Chief Technology Officer bei Oxford PV, fügt hinzu: „Die Partner des Konsortiums bringen perfekt aufeinander abgestimmte Kompetenzen mit. Durch die Verbesserung der Herstellungsprozesse werden wir die leistungsstärksten Tandemsolarzellen entwickeln und den Transfer unserer Technologie in die Modulproduktionslinien sicherstellen."
Die Tandem-Technologie erzielte bereits große Fortschritte: So erreichten das HZB und Oxford PV im Juni 2018 einen unabhängig zertifizierten Wirkungsgrad von 25,2 Prozent für ihre Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle. „Mit den Partnern wollen wir Perowskit-Silizium-Tandemzellen weiter optimieren, ihre Skalierbarkeit demonstrieren und ihre Integration in großflächige Solarmodule voranbringen", sagt Rutger Schlatmann.
Wirkungsgrad von 25,2 % für Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzelle zertifiziert
Perowskit-basierte Tandem-Solarzellen erreichen nun Wirkungsgrade über 25%. Bild: HZB
Eine 1 cm2 Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzelle erreicht einen Wirkungsgrad von 25,2%. Diese Neuigkeit wurde diese Woche auf einer Fachkonferenz in Hawaii, USA, vorgestellt. Die Zelle wurde gemeinsam vom HZB, der Universität Oxford und Oxford PV - The Perovskite CompanyTM entwickelt. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat den Wirkungsgrad zertifiziert. (14.06.2018)
„Perowskit-basierte Tandem-Solarzellen können das Licht besonders effizient nutzen und bieten daher die Chance, noch höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Deshalb haben wir mit dem neuen Helmholtz-Innovationslabor HySPRINT unsere Expertise deutlich erweitert", sagt Prof. Dr. Rutger Schlatmann, Direktor des Kompetenzzentrums Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik Berlin (PVcomB) am HZB. „In der Zusammenarbeit mit Oxford PV geht es uns darum, die Perowskit-Silizium-Tandemzellen weiter zu optimieren, ihre Aufskalierbarkeit zu demonstrieren und die Integration in großflächige Solarmodule zu erleichtern. Für dieses neue Ergebnis haben wir unsere high-efficiency Silizium-Heterojunction-Bottomzelle optimiert und eine optische Anpassung zu der Topzelle entwickelt mittels einer ganz spezifischen SiOx Zwischenschicht".
Auf der Internationalen Konferenz zu Photovoltaik (World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, WCPEC-7) in Waikoloa, Hawaii, waren Tandem-Solarzellen mit Perowskit-Schichten ein wichtiges Thema: Zwei Rekord-Zellen wurden vorgestellt, die jeweils einen zertifzierten Wirkungsgrad von 25,2% erreichten. Eine dieser Rekord-Tandemzellen kommt von dem Team um Prof. Dr. Christophe Ballif von der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL/CSEM), während die andere Rekord-Tandem-Solarzelle gemeinsam von dem Konsortium aus HZB, Oxford PV und der Universität Oxford entwickelt wurde. Diese Zelle stellte der HZB-Wissenschaftler Dr. Bernd Stannowski vor. Die dritte hocheffiziente Tandemzelle mit einer Perowskitschicht erreicht eine zertifizierte Effizienz von 25,0 % und wurde von einem HZB-Team um Dr. Steve Albrecht entwickelt.
Seit seiner Gründung im Jahr 2010 arbeitet das Unternehmen Oxford PV eng mit der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Henry Snaith an der Universität Oxford zusammen. Im Januar 2018 gab Oxford PV seine Zusammenarbeit mit dem HZB, dem führenden deutschen Forschungszentrum für Energiematerialforschung, bekannt.
Silizium-Heterojunction Solarzelle mit 23.1 % zertifiziertem Wirkungsgrad.
Zellwirkungsgrad von 23,1% für eine 4 cm² große Silizium-Heterojunction-Solarzelle zertifiziert durch das akkreditierte Messlabor ISFH CalTeC.
Design der Solarzellen und Teststrukturen basierend auf Siebdruck-Silberkontakten auf einem Czochralski c-Si Wafer.
Nach weiteren Optimierungsarbeiten des Baseline-Prozesses für industrielle Silizium-Heterojunction (SHJ) Solarzellen, hat das akkreditierte Messlabor ISFH CalTeC nun einen Wirkungsgrad von 23,1% für eine 4 cm² Solarzelle zertifiziert. Dieser Wert gehört zu den besten weltweit und zeigt die führende Rolle des HZB in dieser Technologie insbesondere in Deutschland und Europa.
Am Institut PVcomB des HZB werden SHJ-Zellen mit dem Fokus auf der Verbesserung industriell einsetzbarer Materialien und Prozesse in Zusammenarbeit mit Industriepartnern (z. B. Meyer Burger, Von Ardenne, Singulus) entwickelt. Darüber hinaus werden, teilweise in Zusammenarbeit mit der Industrie (Oxford PV), neuartige Solarzellen entwickelt, die die Effizienzgrenze von Silizium-basierten Zellen überschreiten können, wie z.B. Perowskit / SHJ-Tandem-Junctions. Ergebnisse werden dieses Jahr auf den internationalen PV-Konferenzen WCPEC (10.-15. Juni, Hawaii) und EUPVSEC (24.-28. September, Brüssel) vorgestellt.
Hintergrund
Silizium-Heterojunction (SHJ) Solarzellen werden aus kristallinen Silizium-Wafern mit passivierten Kontakten für beide Polaritäten auf Basis von i/n- und i/p Schichtstapeln aus dünnen Siliziumschichten hergestellt. Diese bestehen aus amorphem Silizium, nanokristallinem Silizium oder Siliziumoxid. Aufgrund der hohen Qualität des Silizium Wafers und der vor allem der hervorragenden Oberflächen-Passivierung erreichen SHJ Solarzellen sehr hohe Wirkungsgrade bei höchsten Leerlaufspannungen (>740 mV) und sehr niedrigem Temperaturkoeffizienten (<0,3 %/K). Mit dieser Art von zweiseitig kontaktierten SHJ Solarzelle hält Kaneka Corp. (Japan) den Weltrekord mit 25,1 %. Zurzeit hält Kaneka mit einer rein rückseitig kontaktierten („IBC“) SHJ Zelle mit 26,7 % auch den Weltrekord für Silizium-basiert Solarzellen überhaupt. Für die kommerzielle Produktion ermöglicht die sehr kurze Prozessabfolge, bestehend aus nur vier Haupt-Prozessschritten, alle unterhalb einer Prozesstemperatur von 200 °C, eine kostengünstige Zellproduktion.
Neues Forschungsprojekt mit AVANCIS optimiert CIGS-Dünnschichtsolarmodule im Außeneinsatz
Auf dem Freifeld-Teststand des PVcomB werden die Erträge von CIGS-Modulen und anderen PV-technologien unter realen Bedingungen erfasst. Bild: HZB
Das Photovoltaik-Kompetenzzentrum (PVcomB) am Helmholtz-Zentrum Berlin bringt seine Expertise zur Optimierung der CIGS-Dünnschichtproduktion in das Verbundforschungsprojekt MyCIGS ein. Der CIGS-Modulhersteller AVANCIS, München, koordiniert das Projekt, das vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wird. Mit beteiligt sind auch die Universitäten in Oldenburg und Erlangen-Nürnberg.
Dünnschicht-Solarmodule auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Verbindungen, kurz CIGS, sind hocheffizient, kostengünstig und vielseitig einsetzbar [1]. Insbesondere können sie auf Grund ihrer besonderen Eigenschaften nicht nur auf Dächern, sondern auch an Gebäudefassaden eingesetzt werden. Die bauwerkintegrierte Photovoltaik (auf Englisch: Building integrated Photovoltaic, BIPV) bietet vielfältige neue ästhetische Gestaltungsmöglichkeiten. Dadurch lassen sich viele Flächen, besonders in Städten, neu erschließen.
Steigerung des Energieertrages im Außeneinsatz
Nachdem in vielen Projekten der Wirkungsgrad im Vordergrund steht, geht es beim MyCIGS Projekt darum, den Energieertrag unter realen Bedingungen im Außeneinsatz zu optimieren. Hierfür sind neben dem Wirkungsgrad zusätzliche Eigenschaften wie die Temperaturkoeffizienten und die Leistung bei geringer oder diffuser Beleuchtung entscheidend. Auch beim Einsatz von CIGS-Modulen an Fassaden und Gebäuden spielen diese Faktoren eine große Rolle.
Expertise für CIGS-Dünnschichtmodule am PVcomB
„Am PVcomB haben wir langjährige Erfahrungen mit der Charakterisierung und Optimierung von CIGS-Dünnschichten“, erklärt Dr. Reiner Klenk, der für MyCIGS am PVcomB zuständig ist. Mit den zahlreichen am PVcomB etablierten Messmethoden können zentrale Parameter wie Temperaturkoeffizienten und Schwachlichtverhalten auf physikalische Prozesse im Solarmodul zurückgeführt werden. Das Forschungsprojekt passt hervorragend zur Strategie des PVcomB, über die Herstellungstechnologien hinaus neue Schwerpunkte im Bereich der Verkapselung, Zuverlässigkeit, Freifeld-Messung und Gebäudeintegration zu setzen.
Neue Arbeitsgruppe Outdoor-Performance
So wurde gerade im Rahmen des Helmholtz-Zukunftsprojekts Energiesystemintegration eine neue Arbeitsgruppe gegründet, die von Dr. Carolin Ulbrich geleitet wird. Auf einem Freifeld-Teststand des PVcomB kann diese Arbeitsgruppe nun die Energieerträge realer CIGS-Module messen sowie Daten zur lokalen Einstrahlung und Temperatur erheben.
Optimierte Module
In der Herstellung einzelner Schichten in Solarmodulen verwenden AVANCIS und PVcomB unterschiedliche Technologien und Materialien. Dabei können einzelne Schichten der Projektpartner auch miteinander kombiniert werden. Dadurch entsteht eine breitere Datenbasis, mit der sich der Einfluss der Herstellung auf den Ertrag besser beurteilen lässt.
MyCIGS profitiert außerdem von dem aktuellen Solar-era.net Projekt „PEARL TF-PV“, in dem das PVcomB zusammen mit deutschen, niederländischen und österreichischen Forschungsinstitutionen, Modulherstellern und Solarkraftwerksplanern seine Kompetenzen in der Fehleranalyse von CIGS-Solarmodulen stärkt.