Photovoltaik: Höherer Wirkungsgrad bei Perowskit-Modulen

Zwei Solarzellen aus Perowskit.Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT
Perowskit-Solarzellen versprechen noch günstigere Photovoltaik.
Dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, höhere Effizienzen bei Perowskit-Solarmodulen zu erzielen. Forscher erreichten einen Spitzen-Wirkungsgrad von 18 Prozent auf einer Fläche von vier Quadratzentimetern.

Das KIT hat höhere Wirkungsgrade bei Perowskit-Solarmodulen geschafft. Wie das Institut mitteilte, kombinierten die Forscher die Serienverschaltung per Laser mit der Vakuumprozessierung aller Schichten der Solarzelle. So erreichten sie einen Wirkungsgrad von 18 Prozent auf einer Fläche von vier Quadratzentimetern. Und damit erzielten sie zugleich einen Weltrekord für vakuumprozessierte Perowskit-Solarmodule.

In der Photovoltaik gelten Perowskit-Halbleiter als besonders zukunftsträchtige Materialien. Gründe dafür sind ihre günstige Verfügbarkeit, ihre einfache Herstellbarkeit sowie ihr enormes Wirkungsgradpotenzials. Im Labor hergestellt erzielen Perowskit-Solarzellen inzwischen Wirkungsgrade von über 25 Prozent. Nun gilt es, die Perowskit-Photovoltaik vom Labor in die Industrie zu bringen.
 
„Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die auf Flächen von wenigen Quadratmillimetern erzielten Wirkungsgrade auf typische Solarmodulflächen von einigen Hundert Quadratzentimetern zu übertragen.“ So äußert sich Dr. Tobias Abzieher, der am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT die Entwicklung aus dem Vakuum abgeschiedener Perowskit-Solarzellen leitet. Bei Perowskit-Solarzellen handelt es sich um Dünnschichtsolarzellen. Diese werden über die sogenannte monolithische Serienverschaltung zu großflächigen Solarmodulen zusammengefügt. Dazu erhät die Solarzelle während der Abscheidung der einzelnen Schichten Strukturierungslinien. Diese wiederum bewirken eine Serienverschaltung der so entstehenden Solarzellenstreifen.

Vom Labor in die Industrie

Bei Perowskit-Solarmodulen kam es durch die Aufskalierung bisher zu deutlichen Wirkungsgradeinbußen. Erstens ist die Abscheidung der einzelnen Solarzellenschichten umso schwieriger, je größer die Flächen werden. Und zweitens entstehen bei der Serienverschaltung sogenannte Totflächen zwischen den aktiven Solarzellenstreifen. Das sind Flächen, die später nicht zur Stromerzeugung beitragen können, für die Serienverschaltung aber nötig sind.

Dem Karlsruher Team ist es nun gelungen, durch das Aufdampfen aller Schichten der Solarmodule im Vakuum den Einfluss beider Verlustmechanismen zu minimieren. „Große Vorteile der Abscheidung aus dem Vakuum im Hinblick auf die Herstellung effizienter Solarmodule sind die einfache Beherrschbarkeit der Prozesse, die geringe Anzahl an Prozessparametern sowie insbesondere die Unabhängigkeit des Abscheidungsmechanismus von der Beschichtungsfläche“, erklärt Abzieher. Dieses innovative Verfahren haben die Forschenden mit der hochpräzisen Strukturierung und Serienverschaltung über das Eingravieren von Linien mittels eines Lasers kombiniert (monolithische Serienverschaltung). Damit haben sie erstmals ein großflächiges Perowskit-Solarmodul fast ohne Skalierungsverluste hergestellt – ein wichtiger Schritt vom Labor in die Industrie.

Weltrekord auf vier Quadratzentimetern

Mit der Kombination von Vakuumprozessierung und Laserablation erzielten die Forschenden am LTI Wirkungsgrade von bis zu 16,6 Prozent auf einer Bauteilfläche von über 50 Quadratzentimetern.  und von sogar 18 Prozent auf einer Fläche von vier Quadratzentimetern – Weltrekord für vakuumprozessierte Perowskit-Solarmodule. Diese Werte liegen im Bereich von Photovoltaiktechnologien wie Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS).

Künftig werden die Forschenden an der Optimierung des reinen Solarzellenschichtstapels sowie einer weiteren Reduzierung der Totflächen arbeiten. „Schöpfen wir das Potenzial der Technologie voll aus, ist die Herstellung von Perowskit-Solarmodulen mit Wirkungsgraden von deutlich über 20 Prozent auch auf noch größeren Flächen ein zeitnah realisierbares Ziel“. Das sagt Professor Ulrich W. Paetzold, Leiter der institutsübergreifenden „Taskforce Perovskite Photovoltaics“ am KIT. Die Forschung in der Abteilung „Next Generation Photovoltaics“ am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am LTI des KIT erhält finanzielle Unterstützung. Sie stammt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Verbundvorhaben CAPITANO sowie des EU-Rahmenprogramms Horizont 2020.

27.4.2021 | Quelle: KIT | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH

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