Im Tandem mehr Solarstrom ernten

Solarmodule werden immer leistungsfähiger. Der Grund sind höhere Wirkungsgrade durch Fortschritte in Forschung und Produktion. Das senkt die Kosten für den erzeugten Solarstrom. Weitere Wirkungsgradsteigerungen der einzelnen Bauelemente, der Solarzellen, werden aber immer schwieriger und aufwendiger – sowohl in der Forschung und Entwicklung als auch in der Grossserienfertigung. So liegt die Effizienz der marktbeherrschenden Silicium-Solarzellen im Labor aktuell bei 26,8% – das ist bereits nahe dem physikalischen Limit von 29,4%.

Tandem­solar­zellen: Die nächste PV-Generation

Einen Weg, dieses Limit zu überwinden, bieten Tandem­solar­zellen. Sie bestehen aus unterschiedlichen, übereinander geschichteten Solarzellen. Die Schichten nutzen zusammen die Breite des Sonnen­licht­spektrums besser aus als die jeweilige Einfachsolarzelle. Die obere Solarzelle wandelt das Licht im sichtbaren Teil des Sonnenspektrums in Strom um, die darunterliegende das Licht im infrarotnahen Spektrum. Durch diese Kombination sind Wirkungsgrade von über 35% möglich.

Weltweit forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, Tandem­solar­zellen zuverlässig, langlebig und mit industriellen Herstel­lungs­prozessen zu produzieren.

Mittlerweile stehen mehrere Varianten zur Verfügung. Besonders interessant sind Tandem­solar­zellen mit einer Dünnschichtsolarzelle oben und einer Silicium-Solarzelle unten. Während kristallines Silicium eine feste optische Bandlücke hat, bietet die Dünn­schicht­techno­logie die Möglichkeit, die Bandlücke anders einzustellen.

Oben Perowskit, unten Silicium

Als die Dünn­schicht­techno­logie der Wahl kristallisieren sich derzeit sogenannte Perowskit-Schichten als lichtabsorbierende Halbleiter heraus. Perowskite sind Materialien, die die gleiche Kristallstruktur aufweisen wie das gleichnamige natürliche Mineral. Einige Verbindungen dieser Materialklasse zeigen hervorragende optische und elektronische Eigenschaften und ihre Ausgangsstoffe sind reichlich verfügbar. Perowskite können zudem bei niedrigen Temperaturen abgeschieden werden. Sie zeichnen sich darüber hinaus durch eine hohe Defekt­toleranz aus. Perowskit-Solarzellen sind daher eine potenziell kostengünstige Technologie, weshalb sie weltweit im Mittelpunkt der Entwicklungsbemühungen in Wissenschaft und Industrie stehen.

Als zweite absorbierende Schicht bieten sich klassische Silicium-Solarzellen an. Silicium-Solarzellen sind günstig, massenhaft verfügbar und technisch weit entwickelt. Zudem existieren Hersteller, die im Gigawattmassstab produzieren. Silicium-Solarzellen haben mittlerweile einen Marktanteil von rund 95%. Die Fähigkeit, einen hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung zu erzielen, und niedrige Degra­dations­raten waren entscheidende Faktoren für diese Erfolgsgeschichte. Sowohl mit den Solarzellen an sich als auch mit deren Herstellungsverfahren konnte die PV-Industrie über Jahrzehnte hinweg Erfahrungen sammeln. Es ergibt Sinn, eine Weiterentwicklung der Solarzellentechnologie auf diesem Erfahrungsschatz aufzubauen.

Und dies wird wortwörtlich getan: Die Perowskit-Solarzelle mit grosser Bandlücke wird auf die Silicium-Solarzelle abgeschieden. Da die Perowskit-Solarzelle eine höhere energetische Bandlücke als Silicium aufweist, kann sie hochenergetische Photonen besser nutzen als die Silicium-Solarzelle. Die Silicium-Solarzelle wiederum wandelt die niederenergetischen Photonen, die von der Perowskit-Solarzelle durchgelassen werden, in Strom um.

Die aktuelle Entwicklung der Technologie ist enorm: Perowskit-Silicium-Tandem­solar­zellen im Labormassstab haben bereits das physikalische Limit der Einfachsolarzellen aus Silicium überwunden: Der derzeit höchste publizierte Wirkungsgrad liegt bei 33,7%. Daher könnte die Kombination von Perowskit-Dünnschicht und kristallinem Silicium die Technologie der Zukunft sein.

Verschiedene Silicium-Solarzellen möglich

Bei Silicium-Solarzellen gibt es mehrere Zelltypen zur Auswahl: PERC-, TOPCon-, HJT-, IBC-Solarzellen. PERC steht für «Passivated Emitter and Rear Cell», also für Solarzellen, deren Rückseite passiviert wurde. PERC-Solarzellen dominieren derzeit mit rund 80% den Markt, jedoch begrenzen bei ihnen die Verluste an den Kontakten den Wirkungsgrad. Sogenannte «Passivierende Kontakte» verhindern diese Verluste: Mit der TOPCon-Technologie («Tunnel Oxide Passivated Contacts») und der Heterojunction-Technologie (HJT) gibt es zwei unterschiedliche Ansätze von passivierenden Kontakten, die höhere Wirkungsgrade ermöglichen. Vor allem die TOPCon-Technologie wird aktuell im grossen Massstab industriell ausgebaut und als Nachfolgetechnologie der PERC-Solarzelle gehandelt.

Heterojunction-Solarzellen haben die Nase vorn

Geht es um die Integration in eine Perowskit-Silizium-Tandem­solar­zelle, haben derzeit tendenziell die HJT-Solarzellen die Nase vorn, da sie unter anderem mit ähnlichen Prozess­techno­logien wie Perowskit-Solarzellen hergestellt werden. Berücksichtigt man jedoch weitere Faktoren, etwa die Frage der Herstellungskosten und der Massenproduktion, ist das Rennen weiterhin offen. Die Entwicklungsarbeit wird daher voraussichtlich mit vielen Varianten von Silicium-Solarzellen fortgesetzt.

Was die elektrischen Kontakte angeht, spricht viel für die 2-Terminal-Perowskit-Silicium-Tandem­solar­zellen. Die elektrische Energie wird hier nur an zwei äusseren Kontakten entnommen. Die Architektur besticht durch ihre Einfachheit. Die Zellen können zudem wie die bisherigen Silicium-Solarzellen zu einem Modul verbunden werden.

Silicium-Solarzelle mit Perowskit beschichten

Perowskitsolarzellen befinden sich noch in der Entwicklung. Sie bestehen aus einem speziellen elektrisch leitfähigen Material, dem sogenannten transparenten leitfähigen Oxid (TCO), einer Pufferschicht, einer Elektronentransportschicht, der eigentlichen Perowskitschicht sowie einer Löchertransportschicht. Die einzelnen Schichten werden grossteils mittels Vakuumprozessen oder nasschemischen Verfahren auf die Silicium-Solarzelle aufgetragen.

Trotz aller Erfolge: Die Flächen der Rekord-Tandem­solar­zellen auf Perowskit-Silicium-Basis sind oft noch klein, rund ein Quadratzentimeter. Das ist um den Faktor 400 kleiner als die aktuelle Wafergrösse einer industriellen Silicium-Solarzelle. Die meisten der bisher im Labor verwendeten Herstel­lungs­prozesse sind zudem nicht für die industrielle Fertigung nutzbar. Um hier Fortschritte zu erzielen, entwickelten Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer ISE die Produktion von Perowskit-Silicium-Tandem­solar­zellen in kommerzieller Grösse sowie eine skalierbare und wirtschaftliche Herstellung dieser Tandem­solar­zellen.

Industrielle Herstellung vorantreiben

In den vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz finanzierten Forschungs­projekten «Pero-Si-SCALE» und «LiverPool» baut das Fraunhofer ISE nun eine unabhängige Technologie­plattform zur Skalierung von Perowskit-Silicium-Tandem­solar­zellen und -modulen. Ziel ist die Weiter­entwicklung und Analyse von Zell- und Moduldesigns sowie deren Herstel­lungs­prozesse, bei denen ein schneller Transfer in die Industrie möglich ist.

Eine solche Forschungsplattform für Perowskit-Silicium-Tandem­photovoltaik auf dieser Technologie-Reifestufe ist bisher weltweit einmalig und damit ein Allein­stellungs­merkmal für die deutsche Photovoltaik-Forschung. So kann das Institut die deutsche und europäische Photo­voltaik­industrie, auch in Zusammen­arbeit mit weiteren Forschungs­ein­rich­tungen, effektiv bei der Entwicklung und Umsetzung der nächsten Solarzellengeneration unterstützen.

Mit der Pero-Si-SCALE-Plattform sollen Prozesse, Technologien und Kompetenzen aufgebaut und entwickelt werden, die notwendig sind, um auf dem industriellen Waferformat M12-Perowskit-Silicium-Solarzellen und Module herzustellen, zu charakterisieren und zu prüfen. Dafür baut das Institut bis Ende 2024 eine Prozesslinie auf. Sie beinhaltet Anlagen zur Vakuum­abscheidung und nasschemische Beschichtungs­prozesse für die Perowskit-Solarzelle der Tandem­solar­zelle. Auf Modulebene wird für die Entwicklung der Herstel­lungs­prozesse ein industrieller Klebestringer der nächsten Generation zur Verfügung stehen sowie ein Lumineszenz-System zur Prozess­kontrolle des Verschaltungs­prozesses. Darüber hinaus können die Forscherinnen und Forscher die Charakteri­sierung, die Kalibrierung und die Qualitätsanalyse von Solarzellen und Modulen auf grosse Wafer erweitern.

Industrielle Verdampfungs­methoden entwickeln

Für die Herstellung der Laborzellen mit einem Quadrat­zentimeter Fläche ist die am häufigsten verwendete Methode bislang das nasschemische Spin-Coating. Das Verfahren ist vielseitig, aber auf kleine Flächen beschränkt. Die Alternative Schlitzdüsen-Beschichtung hat den Nachteil, dass bei der Beschichtung von texturiertem Silicium die Textur im Wesentlichen aufgefüllt und die Perowskit-Oberfläche meist eingeebnet wird. Das verschlechtert die Lichtausbeute.

Für das Aufbringen der Perowskit-Solarzelle auf die Silicium-Solarzelle sowie der Kontakte stehen auf der Pero-Si-SCALE-Plattform deshalb Aufdampfprozesse im Fokus. Die Entwicklung industriell umsetzbarer, vakuumbasierter Verdampfungs­methoden für Perowskit-Materialien und Kontakt­schichten ist Ziel des Projekts «LiverPool».

Zwei interessante Methoden für eine bessere Beschichtung von texturiertem Silicium sind die Ko-Verdampfung und die Hybrid-Route. Letztere kombiniert die Ko-Verdampfung und die nasschemische Verarbeitung. Die Verfahren haben vielversprechende Ergebnisse erzielt, die wahrscheinlich auf eine grosse Waferfläche skalierbar sind und auch in industriellem Massstab hergestellt werden können.

Erste Erfolge gibt es bereits jetzt: Das Fraunhofer ISE hat mit skalierbaren, industriell nutzbaren Herstellungsverfahren jüngst eine Tandem­solar­zelle auf Perowskit-Silicium-Basis in einer Grösse von 244 cm2 hergestellt.

Bau erster Vollformat-Module

Auch die Herstellung von Perowskit-Silicium-Vollformat-Modulen ist ein Schwerpunkt am Institut. Im Verbund­vorhaben «Switch» entwickelte das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Projektpartnern Verschaltungs- und Ein­kapselungs­lösungen für Tandem­solar­zellen. Die Verschaltungs- und Laminations­prozesse mussten dabei so angepasst werden, dass die Perowskit-Silicium-Solarzellen ohne Schäden, kostengünstig und langzeitstabil ins Modul integriert werden können. Erste Prototypen mit einer Nennleistung von 430 W wurden bereits hergestellt. Auch eine detaillierte Analyse der Zelle-zu-Modul-Verluste und Unter­suchungen zur Langzeit­stabilität der Tandem-Module waren Teil der Forschungsarbeiten.

Fazit

Solarzellen mit zwei oder mehr strom­erzeu­genden Halbleitern wird eine grosse Zukunft vorhergesagt. Ihr Wirkungsgrad ist deutlich höher als der herkömmlicher Einfach­solar­zellen. Das Fraunhofer ISE will diese vielver­sprechende Tandem-Solar­techno­logie nun schneller in den Massenmarkt bringen. Dazu treibt das Institut die industrielle Herstellung voran. Mit der Pero-Si-SCALE-Plattform sollen Prozesse, Technologien und Kompetenzen aufgebaut und entwickelt werden, die nötig sind, um auf dem industriellen Waferformat M12-Perowskit-Silicium-Solarzellen und Module herzustellen sowie charakterisieren und prüfen zu können. Die Entwicklung industriell umsetzbarer, vakuum­basierter Verdampfungs­methoden für Perowskit-Materialien und Kontaktschichten ist Ziel des Projekts «LiverPool». Mit den beiden Vorhaben soll die nächste Generation von Solarzellen marktreif werden – und der deutschen und europäischen Industrie zu besseren Marktchancen verhelfen.