Mit dem Tandem-Modul auf Dünnschichtbasis hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) jetzt eine Effizienz von 21,1 Prozent erzielt. Die heute fast ausschließlich verbauten Solarmodule auf Basis von Silizium kommen nach Jahrzehnten intensiver Forschung ihrer praktischen Wirkungsgradgrenze von rund 27 Prozent bereits sehr nahe. Eine weiter gehende Erhöhung auf weit über 30 Prozent versprechen aktuell nur Tandem-Solarmodule aus übereinander geschichteten Solarzellen verschiedener Materialien. Der Grund: Ihre unterschiedlichen Aktivschichten nutzen zusammen die Breite des Sonnenlichtspektrums besser aus als die jeweilige Einfachsolarzelle und ermöglichen so eine bessere Effizienz.
Perowskite gelten als Hoffnungsträger
Eine aus Forschersicht aussichtsreiche Materialgruppe für Tandem-Solarmodule sind die metallorganischen Perowskite. „Einige Verbindungen dieser Materialklasse zeigen hervorragende optische und elektronische Eigenschaften und sind reichlich und kostengünstig auf der Erde verfügbar“, erklärt Jan-Philipp Becker, der Leiter des ZSW-Fachgebiets Photovoltaik: Materialforschung. „Sie nutzen im oberen Solarmodul dank ihrer hohen optischen Energiebandlücke den hochenergetischen Anteil des Sonnenspektrums sehr effizient. Gleichzeitig lassen sie einen beachtlichen niederenergetischen Anteil des Spektrums in das zweite, darunter befindliche Solarmodul durch.“
Für das untere Solarmodul liegt die Verwendung von konventioneller Silizium-Photovoltaik nahe. Noch interessanter ist aber die Nutzung von Dünnschichttechnologien: Das untere Modul kann ebenfalls Perowskit sein oder – wie im ZSW-Modul – CIGS. CIGS steht für ein Materialmix aus Kupfer, Indium und Gallium, der in Selenatmosphäre auf ein starres oder flexibles Trägermaterial aufgedampft wird. Diese Technologie haben die Fachleute am Institut in der Vergangenheit zusammen mit Industriepartnern bis zur Serienproduktion entwickelt. Im Vergleich zu Silizium kann die spektrale Absorption, also die Lichtaufnahme, beim CIGS ideal auf den Tandemverbund angepasst werden.
Solarmodul ist skalierbar
Das Tandem-Solarmodul des ZSW hat eine Größe von neun Quadratzentimetern und einen Wirkungsgrad von 21,1 Prozent. Dieser Prototyp zeichnet sich zudem durch eine industrietaugliche und skalierbare Bauelementarchitektur aus. Die aktuellen Bestwerte für Tandemsolarmodule aus Perowskit und CIGS liegen mit 22 Prozent nur wenig darüber. Bei kleineren Laborzellen erzielte das ZSW für diese Materialkombination bereits eine Effizienz von 26,6 Prozent. (nhp)
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