Perowskit/Silizium Solarzellen Pilotlinie für Tandem-Solarzellen toppt Effizienz

Von Kristin Rinortner

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Ein europäisches Forschungsprojekt soll Solarzellen im kleinen Maßstab bis hin zur industriellen Fertigung großer Solarmodule im Hochdurchsatzverfahren entwickeln. Die erste Pilotanlage für Perowkit/Silizium Tandem-Solarzellen entsteht in Deutschland. Die Leistungswandlungseffizienz reicht über die praktischen Grenzen von Silizium hinaus.

Tandem-Solarzellen: Das Forschungsprojekt PEPPERONI soll den Weg für eine europäische Massenproduktion von Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen ebnen. Eine Pilotlinie wird in Thalheim, Deutschland, errichtet werden.
Tandem-Solarzellen: Das Forschungsprojekt PEPPERONI soll den Weg für eine europäische Massenproduktion von Perowskit/Silizium-Tandem-Solarzellen ebnen. Eine Pilotlinie wird in Thalheim, Deutschland, errichtet werden.
(Bild: QCells)

PEPPERONI ist ein neues Forschungsprojekt der EU, das dazu beitragen soll, dass Europa Klimaneutralität bis zum Jahr 2050 erreicht. Basis sind sogenannte Erneuerbare Energien und deren Effizienzoptimierung. Das Projekt startete am 1. November 2022 mit der langfristigen Vision, Europa eine industrielle Führungsrolle bei der PV-Produktion auf dem Weltmarkt zu ermöglichen.

Kurzfristig soll eine Pilotlinie zur Entwicklung von Solarmodulen mit Perowskit/Silizium (Si)-Tandem-Technologie aufgebaut werden. Die Finanzierung beläuft sich auf rund 14,5 Millionen Euro über vier Jahre, wobei die beteiligten 17 Partner aus 12 europäischen Ländern die gesamte Wertschöpfungskette der PV-Innovation abdecken sollen.

Die bisher am weitesten verbreiteten Solarzellentechnologien werden mit Silizium hergestellt; die Silizium-PV ist heute in vielen Teilen der Welt eine der billigsten Möglichkeiten der Stromerzeugung. Der Erfolg der Solarindustrie in den letzten Jahren hat die Branche an die derzeitigen praktischen Grenzen des Wirkungsgrads der Siliziumtechnologie gebracht. Um über die Grenzen der Ein-Material-Zellen hinauszugehen, haben Wissenschaftler vorgeschlagen, eine komplementäre Solarzelle hinzuzufügen, um sogenannte „Tandem“-Solarzellen zu bilden.

Silizium-Perowskit-Tandem Solarzellen mit hohem PCE

Im Forschungsprojekt hat man sich für eine Technologie entschieden, die das beste Verhältnis zwischen Leistung und Herstellungskosten verspricht – das Silizium-Perowskit-Tandem. Perowskit kann so eingestellt werden, dass er die Teile des Sonnenspektrums nutzt, die typische Silizium-PV-Materialien nicht effizient wandeln können. Daher eignet sich Perowskit hervorragend als Hybrid-Tandempartner.

Bei der Tandem-Solarzelle wird eine Perowskit-Topzelle auf industrielle Siliziumzellen aufgesetzt. Dieses Tandem-Design profitiert vom industriellen Know-how der Silizium-Photovoltaik und erweitert den Bereich der erreichbaren Leistungswandlungseffizienz (Power Conversion Efficiency/ PCE) über die praktischen Grenzen von Silizium hinaus.

Die Erhöhung des PCE von Solarzellen ist aus zwei Gründen wichtig. Langfristig ist dies der effektivste Weg, um die Stromgestehungskosten (Levelised Cost of Electricity/ LCOE) zu senken. Und kurzfristig ist dies der beste Weg, um die Photovoltaik für Anwendungen zu fördern, bei denen der Platz begrenzt ist, z. B. auf Dächern, an Fassaden oder in Fahrzeugen.

Massenproduktion von PV-Modulen hoher Leistung

Im Rahmen des Projekts wird am europäischen Hauptsitz von Qcells in Thalheim, Deutschland, eine Pilotlinie für Tandemzellen in Industriequalität eingerichtet, die Anlagen, Prozesse und Materialien zur Herstellung von hocheffizienten Tandemzellen und -modulen umfasst. Der Ansatz verspreche einen schnellen und wettbewerbsfähigen Weg zur Massenproduktion von PV-Modulen mit hoher Leistung und langer Lebensdauer, so die Betreiber.

Fabian Fertig, Director Global R&D Wafer & Cells bei Qcells: „Diese Forschung verspricht, neue Wege bei der Weiterentwicklung der Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen- und Modultechnologie zu beschreiten. In einer Zeit, in der das bestehende Energiesystem einem noch nie dagewesenen Druck ausgesetzt ist, ist es sehr spannend, diesen ersten und transformativen Schritt in Richtung einer industriellen Fertigung der PV-Technologie der nächsten Generation in Europa zu realisieren."

Q.ANTUM: Silizium Bottomzellen mit Perowskit aufgepeppt

Der Ansatz besteht darin, eine Perowskit-Topzelle auf eine Silizium-Bottomzellen aufzusetzen. Die Technologie dahinter, Q.ANTUM, wurde 2012 vom Projektpartner Qcells, der die Technologieentwicklung leitet, erstmals vorgestellt.

Das Unternehmen hat mehrere Erfindungen von der ersten Idee bis zur Serienreife entwickelt und erfolgreich in die Großserienproduktion überführt. Beispiele hierfür sind die Einführung der PERC-ähnlichen (PERC= passivated emitter and rear cell/ passivierte Emitter- und Rückseitenzelle) Solarzellentechnologie sowie die Halbzellen-, drahtbasierte Verschaltung und die Zero-Gap-Solarmodultechnologie.

Vor kurzem wurde die Q.ANTUM-Technologie um eine passivierende Kontakttechnologie (Q.ANTUM NEO) erweitert, mit der die Effizienz von Solarzellen und -modulen weiter gesteigert wird und eine einzigartige Ertragssicherheit garantieren soll, verlautete aus Unternehmenskreisen.

Solarenergie zugänglich machen

Das Konsortium von PEPPERONI will die Herausforderungen angehen, die derzeit den Einsatz von Tandem-Solarzellen behindern. Zu den wichtigsten Zielen des Projekts gehören:

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  • Minimierung der Skalierungsverluste durch Innovationen bei den verwendeten Materialien und Anlagen,
  • Entwicklung von Verfahren und Anlagen für die Dünnschichtabscheidung,
  • Erweiterung der Betriebsstabilität von Perowskiten dank eingehender Analysen der Leistungsverluste,
  • Beseitigung von Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt und
  • Schaffung einer robusten und wettbewerbsfähigen europäischen Innovationsbasis und PV-Lieferkette.

Die Abscheidung einer Perowskit-Topzelle auf Silizium-Bottomzellen in nur wenigen zusätzlichen Prozessschritten verspricht nicht nur höhere Modulwirkungsgrade, sondern ermöglicht auch eine kosteneffiziente Produktionssteigerung.

Bernd Stannowski, Leiter der Gruppe Industriekompatible Prozesse, Solarzellen und -module am HZB, fügte hinzu: „Am HZB haben wir die Tandemtechnologie im Labormaßstab auf Weltrekord-Wirkungsgradniveau entwickelt. Wir freuen uns nun darauf, im PEPPERONI-Konsortium mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammenzuarbeiten, um diese neue und vielversprechende Technologie gemeinsam zu skalieren und in die Industrie zu übertragen."

Pepperoni: Wer gehört dem Konsortium an

PEPPERONI bündelt europäisches Wissen und Know-how von der Grundlagenforschung über die Prüfung und Entwicklung von Solarzellen im kleinen Maßstab bis hin zur industriellen Fertigung großer Solarmodule im Hochdurchsatzverfahren. Dem Konsortium gehören 17 Partner aus 12 Ländern in ganz Europa an, die sich am 24. und 25. November bei Qcells in Thalheim, Deutschland, zur Auftaktsitzung des Projekts treffen.

Zum Netzwerk gehören das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (RTO), Hanwha Qcells GmbH (IND), Mondragon Assembly S.COOP (IND), Von Ardenne GmbH Business Area PV (IND), FOM Technologies APS (SME), Teknisolar SRL (SME), Dyenamo AB (SME), Yparex BV (SME), Institut National de L’Environnement et des Risques (RTO), Polymer Competence Center Leoben GmbH (RTO), Bureau de Recherches Géologiques et Minières (RTO), University of Ljubljana (UNI), Kauno Technologijos Universitetas Department of Organic Chemistry (UNI), Université de Liège Chemical Engineering (UNI), Technische Universiteit Eindhoven Applied Physics (UNI) und Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique - Recherche et Développement (RTO).

PEPPERONI ist ein vierjähriges Forschungs- und Innovationsprojekt, das von der Europäischen Union im Rahmen von Horizon Europe kofinanziert und vom Schweizer Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation unterstützt wird und am 1. November 2022 startete. PEPPERONI wird die Perowskit-/Silizium-Tandem-Photovoltaik (PV)-Technologie in Richtung Markteinführung und Massenproduktion weiterentwickeln.

Das Projekt, das vom Helmholtz-Zentrum Berlin (DE) und Qcells (DE) koordiniert wird, soll die schnelle Einführung neuer Produktionskapazitäten in Europa als kostengünstige und ressourceneffiziente Lösung zur Dekarbonisierung des Energiesystems sicherstellen. Dem PEPPERONI-Konsortium gehören 17 Partner aus 12 europäischen Ländern an. Der Verein bündelt Wissen und Kompetenz von der Grundlagenforschung über die Erprobung und Entwicklung von Solarzellen im kleinen Maßstab bis hin zur industriellen Fertigung großer Solarmodule im Hochdurchsatzverfahren. (kr)

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