Tandem-Solarmodule Mehr Strom aus dem Doppelpack

Am KIT entwickeln die Forscher im Projekt »Capitano« neue Materialien und Prozesse sowie Prototypen für Perowskit-Solarzellen und -module mit hohem Wirkungsgrad.
Am KIT entwickeln die Forscher im Projekt »Capitano« neue Materialien und Prozesse sowie Prototypen für Perowskit-Solarzellen und -module mit hohem Wirkungsgrad.

Der Wirkungsgrad marktüblicher Solarmodule lässt sich nur noch begrenzt steigern. Eine Kombination aus Dünnschicht-Solarmodulen auf Basis von Perowskit-Halbleitern mit Halbleitern aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen kann Wirkungsgrade von über 30 Prozent bieten, wie das Projekt Capitano beweist.

Um den Wirkungsgrad von Solarmodulen weiter zu steigern, bietet sich der Einsatz von zwei lichtaktiven Schichten in Tandemsolarmodulen an. Solche Systeme bestehen aus zwei unterschiedlichen, übereinander geschichteten Solarmodultypen, die das Sonnenlichtspektrum besser ausnutzen als das jeweilige Einfach-Solarzelle. Dadurch weisen die Mehrfach-Solarmodule einen höheren Wirkungsgrad auf. Deutlich über 30 Prozent sind theoretisch möglich – bei einfachen Siliziumsolarzellen etwa ist bereits bei 29 Prozent Schluss.

Im Projekt Capitano kombinieren Forscher Dünnschicht-Solarmodule auf Basis von Perowskit-Halbleitern mit Halbleitern aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS). Dadurch ergibt sich der zusätzliche Vorteil der kosteneffizienten Dünnschichttechnik. Projektpartner sind das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) als Koordinator, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Unternehmen NICE Solar Energy in Schwäbisch Hall.

Mittlerweile stehen mehrere Varianten von Tandemmodulen zur Verfügung. Bei der CIGS-Perowskit-Entwicklung wandelt eine Perowskit-Solarzelle das Licht im sichtbaren Teil des Sonnenspektrums in Strom um. Die darunter liegende CIGS-Solarzelle absorbiert das Licht im infrarotnahen Spektrum, das die Perowskit-Solarzelle durchdringt. Beide Solarzellen nutzen Dünnschichttechnologien, die sich auf Quadratmeter großen Substraten herstellen lassen. Damit ließen sich die Kosten – bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad – deutlich reduzieren. Aussichtsreiche Anwendungsfelder sind beispielsweise Solarmodule für gebäudeintegrierte Photovoltaiklösungen.

Das Projekt Capitano

Das Projekt ist im Juli 2019 gestartet und läuft drei Jahre. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert es mit insgesamt rund 5,2 Millionen Euro, davon gehen 2,1 Millionen Euro ans KIT. Ziel des Projektes ist es, Zellen mit stabilen höheren Wirkungsgraden zu entwickeln, die zu effizienten Tandem-Solarmodulen zusammengeschaltet werden können. Der Industriepartner NICE soll die Produktion im Industriemaßstab bewerten und die Kosten evaluieren.

Das ZSW entwickelt im Projekt CIGS-Module mit angepasstem Absorptionsspektrum (Bandlücke) und optimierter Oberfläche und erforscht semitransparente Perowskit-Solarzellen und -module mit hoher Effizienz und Transparenz. Die Perowskit-Beschichtung soll mit industrierelevanten Prozessen wie Schlitzgießen erprobt werden. Wichtige Teilaspekte sind hierbei optimierte Zwischenschichten und angepasste transparente Kontaktschichten. Die Ergebnisse sollen in die Realisierung von in Serie verschalteten Tandemsolarzellen und -modulen einfließen. Auch die Umweltverträglichkeit des Herstellungsprozesses wird evaluiert.

Das KIT wird in diesem Projekt neue Materialien und Prozesse sowie Prototypen zur Herstellung semitransparenter Perowskit-Solarzellen und -module mit angepasstem Absorptionsspektrum (Bandlücke), hohem Wirkungsgrad und hoher Transparenz entwickeln. Insbesondere stehen skalierbare Herstellungsverfahren wie das Schlitzgussverfahren oder die Abscheidung aus der Gasphase im Vakuum im Vordergrund. Im Hinblick auf die komplexe Architektur der Tandemsolarzellen entwickeln die Wissenschaftler ein Lichtmanagementkonzept zur verbesserten Lichtausbeute. Auch Ertragsberechnungen sind Teil des Aufgabenpakets.

Das Unternehmen NICE Solar Energy stellt den anderen Partnern CIGS-Kleinsolarmodule aus seiner Innovationslinie zur Verfügung. Die gefertigten Tandemsolarmodule bewertet es dann bezüglich ihrer industriellen Skalierbarkeit. Auch ein Kostenvergleich mit Single-Junction-CIGS-Solarmodulen ist Teil der Agenda. Angenommen wird eine jährliche Produktionskapazität von 300 Megawatt – das ist eine Produktionsgröße im industriellen Maßstab.