Perowskit-Silicium-PV-Tandemmodule
Mit Sonnensimulator die Effizienz exakt bestimmen
Um Perowskit-Silicium-Module industriell fertigen zu können, müssen die Tandemsolarzellen und -module zuverlässig vermessen werden. Nur so lassen sich verschiedene Zellen und Module objektiv vergleichen. An einem neuen standardisierten Kalibrierverfahren hierfür forscht derzeit das Fraunhofer ISE.
Die industrielle Herstellung von Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen und -modulen wird weltweit intensiv vorbereitet. Nun ist es wichtig, für die aufstrebende Technologie möglichst bald hoch präzise und reproduzierbare Messungen zur Verfügung zu stellen, damit es einen objektiven Wettbewerb geben kann.
Um Perowskit-Tandemmodule vermessen zu können, benötigt es ein umfassendes Verständnis der darin verbauten Solarzellen. Dr. Martin Schubert, Leiter des Projekts »Katana« am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), erklärt dazu: »Alle Zellschichten müssen von unterschiedlichen Lichtquellen unter möglichst genau den Bedingungen angestrahlt werden, unter denen sie auch bei Sonnenlicht Strom produzieren würden, um dann Aussagen über den Wirkungsgrad der Gesamtzelle und des Moduls machen zu können.«
Der eigens für die Kalibrierung von Wavelabs Solar Metrology Systems gebaute Sonnensimulator im CalLab PV Modules des Fraunhofer ISE ermöglicht genau das: Er vermisst Perowskit-Silicium-PV-Zellen im Labormaßstab ab 5 mm x 5 mm bis hin zum PV-Modul von 2,40 m x 1,30 m.
28 unterschiedliche spektral einstellbare Lichtkanäle, verteilt auf 40 Lichtquellen mit insgesamt 18.400 LEDs sind durch den sehr großen Wellenlängenbereich von 320 bis 1.650 Nanometern weltweit einmalig und die Basis für die von den Forschern entwickelten Testverfahren für die Perowskit-Silicium-Tandemtechnologie. Der Sonnensimulator ermöglicht auch die Charakterisierung von Mehrfachsolarzellen und -modulen aus weiteren Materialien.
»Der neue Sonnensimulator ist ein Meilenstein hin zu einem standardisierten Kalibrierverfahren für Perowskit-Silicium-Tandemmodule. Bei seinem Bau mussten wir zum einen gewährleisten, dass die LED-Beleuchtung die Module über die gesamte Fläche hinweg homogen bestrahlt und zum anderen deren Lichtspektren so einstellbar machen, dass alle Zellschichten realitätsnah aktiviert werden«, soFalko Griehl, Projektleiter für den Sonnensimulator Sinus-3000 Advanced bei Wavelabs.
Mit dieser Technologie lässt sich jenseits der Standardspektren auch das Licht zu beliebigen Tageszeiten und Regionen simulieren, so dass man deren Einfluss auf Tandemmodule untersuchen kann. Die durch die längere Ausleuchtung entstehende Wärme während einer Modul-Charakterisierung gleicht ab 2024 eine zusätzlich installierte Klimakammer aus, in der die Tandem-PV-Zellen und -Module für die Vermessung platziert werden.
Der Hersteller von Perowskit-Solarzellen Oxford PV ist assoziierter Partner im Projekt »Katana« und Pionier im Bereich der Tandem-Technologie. »Die Entwicklung einer neuen Kalibrierungsmöglichkeit zur genauen Leistungs-Bestimmung von Perowskit-Silizium-Zellen und -Modulen wird hochwertige, unabhängige Messungen dieser bahnbrechenden Technologie ermöglichen«, erklärt Dr. David Bushnell, Leiter der Test- und Messabteilung von Oxford PV.
Bei Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen und -modulen können zur Effizienzbestimmung nicht ohne Weiteres die klassischen Blitzlicht-Simulatoren (Flasher) aus der Silicium-Photovoltaik zum Einsatz kommen, da diese das Lichtspektrum, das die Tandemzellen in Strom umwandeln, nicht variabel auf die Technologie einstellen können.
Außerdem reicht die blitzartige Beleuchtung durch einen Flasher zeitlich nicht aus, um die Effekte zwischen den Teilzellen zu berücksichtigen. Für das metastabile Verhalten der Perowskit-Technologie müssen die Solarzellen und -module unter Dauerlicht getestet werden. Bisher musste die Effizienz von Perowskit-basierten Tandemmodulen deshalb in aufwändigen und wetterabhängigen Außentests gemessen werden.
