Tandemsolarzellen aus den Materialien Perowskit und Silizium können unter Laborbedingungen bereits Wirkungsgrade über 30 Prozent erzielen. Zwei kürzlich gestartete Forschungsprojekte arbeiten nun daran, die Skalierung der Perowskit-Silizium-Tandemphotovoltaik auf einen industriellen Maßstab voranzubringen.

In den vergangenen Jahren haben Forschende kristalline Siliziumsolarzellen kontinuierlich weiterentwickelt und Wirkungsgradsteigerungen erzielt. Doch die maximal technologisch erreichbare Grenze liegt bei einem Wirkungsgrad von etwa 27 Prozent. Deshalb forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Tandemsolarzellen, die verschiedene Solarzellmaterialien kombinieren und so höhere Wirkungsgrade ermöglichen. Die Kombination aus den Materialien Perowskit und Silizium bietet hierbei ein aussichtsreiches Potenzial. Regelmäßig vermelden Forschungseinrichtungen neue Wirkungsgradrekorde. In der Regel werden diese jedoch unter Laborbedingungen auf relativ kleinen Flächen (etwa ein Quadratzentimeter) realisiert. Somit machen diese Laborzellen nur einen Bruchteil – ungefähr um den Faktor 400 kleiner – der Wafergröße einer aktuellen, industriell gefertigten Siliziumsolarzelle aus.

An diesem Punkt setzen die zwei kürzlich gestarteten Forschungsprojekte Pero-Si-SCALE und LiverPool des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE an. In den Projekten untersuchen Wissenschaftsteams verschiedene Wege, die eine skalierbare und wirtschaftliche Produktion von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen ermöglichen. Beide Forschungsvorhaben werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.

Neue Technologie-Plattform bündelt Wissen

Im Rahmen von Pero-Si-SCALE und LiverPool bauen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Technologieplattform auf. Ziel der Forschenden ist es, Zell- und Moduldesigns zu analysieren und diese für eine industrielle Fertigung weiterzuentwickeln. So sollen die Fortschritte aus der Forschung schnell in die Praxis gelangen.

Die Pero-Si-SCALE-Plattform vereint den Aufbau und die Entwicklung von Prozessen, Technologien und Kompetenzen. Diese sind notwendig, damit auf dem industriellen Waferformat M12 Perowskit-Silizium-Solarzellen hergestellt und geprüft werden können. „Dafür bauen wir bis Ende 2024 eine Prozesslinie auf“, sagt Dr. Martin Hermle, Leiter der beiden Projekte am Fraunhofer ISE. Die Plattform werde Anlagen zur Vakuumabscheidung und nasschemische Beschichtungsprozesse für die Perowskit-Teilzelle beinhalten. Auf Modulebene werde für die Entwicklung der Herstellungsprozesse ein industrieller Klebestringer der nächsten Generation zur Verfügung stehen, sowie ein Lumineszenz-System zur Prozesskontrolle des Verschaltungsprozesses, so Hermle.

Vakuum-Technologie für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen

Im Projekt LiverPool verfolgt das Wissenschaftsteam daneben das Ziel, vakuumbasierte Verdampfungsmethoden für Perowskit-Materialien und Kontaktschichten zu entwickeln, die industriell umsetzbar sind.

Daher werden auf der Pero-Si-SCALE-Plattform ebenfalls solche Aufdampfprozesse fokussiert, um die Perowskit-Teilzelle auf die Silizium-Teilzelle aufbringen zu können. Das bisher für Laborzellen üblicherweise genutzte Verfahren (nasschemisches Spin-Coating) ist nicht geeignet, um es auf industrielle Substratgrößen zu skalieren. (av)