{"id":103891,"date":"2024-12-12T02:25:08","date_gmt":"2024-12-12T01:25:08","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=103891"},"modified":"2024-12-12T10:00:39","modified_gmt":"2024-12-12T09:00:39","slug":"hocheffizienz-trifft-nachhaltigkeit-fraunhofer-leitprojekt-zeigt-wege-fuer-naechste-solarzellen-generation","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/hocheffizienz-trifft-nachhaltigkeit-fraunhofer-leitprojekt-zeigt-wege-fuer-naechste-solarzellen-generation\/","title":{"rendered":"Hocheffizienz trifft Nachhaltigkeit: Fraunhofer Leitprojekt zeigt Wege f\u00fcr n\u00e4chste Solarzellen-Generation"},"content":{"rendered":"\n

Die Entwicklung von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen bestehend aus stabilen Materialien und gefertigt mit skalierbaren Produktionsverfahren ist die Voraussetzung f\u00fcr den n\u00e4chsten Technologiesprung der Photovoltaik-Industrie. <\/p>\n\n\n\n

\u00dcber einen Zeitraum von f\u00fcnf Jahren haben sechs Fraunhofer-Institute im Fraunhofer-Leitprojekt \u00bbMaNiTU\u00ab ihre Kompetenzen vereint, um m\u00f6glichst nachhaltige Wege f\u00fcr die Markteinf\u00fchrung dieser Tandem-Solarzellen aufzuzeigen. Dabei konnten sie zeigen, dass hohe Wirkungsgrade mit industrienahen Prozessen realisierbar sind. Hohe Effizienzen konnten jedoch nur mit bleihaltigen Perowskiten erzielt werden. Daher entwickelten die Forschenden geeignete Recycling-Konzepte, um die Nachhaltigkeit zu sichern.<\/p>\n\n\n\n

Die Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt \u00bbMaNiTU stellten zahlreiche neue Materialien mit Perowskit-Kristallstruktur her und verglichen diese auf Zellebene mit bekannten Materialien. Es zeigte sich, dass nur mit bleihaltigen Perowskiten hohe Effizienzen erzielt werden k\u00f6nnen. Das Forschungsteam realisierte hocheffiziente Demonstratoren, zum Beispiel eine Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle \u00fcber 100 Quadratzentimeter mit Siebdruckmetallisierung sowie Minimodule f\u00fcr einzelne und verschaltete Tandemsolarzellen. Vollst\u00e4ndige Lebenszyklusanalysen ergaben, dass mit geeigneten Produktions- und Recyclingverfahren sowie Degradationsraten, die mit der heutigen Siliziumtechnologie vergleichbar sind, ein nachhaltiges Produkt zur Verf\u00fcgung steht. \u00bbDie Fraunhofer-Gesellschaft hat sich in diesem Projekt im Verbund mit mehreren Instituten zur\u00fcck in die Weltspitze der Photovoltaik gearbeitet und sollte dort bleiben,\u00ab erkl\u00e4rten die Fraunhofer-Projektbeir\u00e4te bei der Abschlussveranstaltung Ende November 2024.<\/p>\n\n\n\n

Skalierbare Perowskit-Silizium-Solarzelle mit 31,6 Prozent Wirkungsgrad<\/h4>\n\n\n\n

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschten an Herstellungsprozessen f\u00fcr Perowskit-Materialien, die auf gro\u00dfen Fl\u00e4chen industriell umsetzbar sind. Dank der sogenannten \u00bbhybriden Route\u00ab, eine Kombination aus Aufdampfen und nasschemischer Abscheidung, realisierten sie Perowskit-D\u00fcnnschichten mit hoher Qualit\u00e4t auf industriell texturierten Siliziumsolarzellen. Das Forschungsteam konnte so eine volltexturierte Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit 31,6 Prozent Effizienz auf 1 Quadratzentimeter Zellfl\u00e4che erzielen. \u00bbEine enge Industriekooperation ist jetzt der n\u00e4chste Schritt, um diese Zukunftstechnologie in Europa aufbauen zu k\u00f6nnen,\u00ab res\u00fcmierte Prof. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer Institut f\u00fcr Solare Energiesysteme ISE und Koordinator des Fraunhofer-Leitprojekts.<\/p>\n\n\n\n

Aktuell keine geeigneten bleifreien Perowskite f\u00fcr Solarzellen in Sicht<\/h4>\n\n\n\n

Im Fokus der Materialentwicklung standen neben g\u00e4ngigen bleihaltigen Perowskitverbindungen insbesondere nicht-giftige, bleifreie Alternativen. So konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler detaillierte Erkenntnisse \u00fcber die Stabilit\u00e4t und Eigenschaften der Zielmaterialien durch eine enge Verzahnung aus theoretischer Simulation, experimenteller Materialsynthese und Zellherstellung gewinnen. Neben verschiedenen Perowskitverbindungen wurden zus\u00e4tzlich unterschiedliche Synthesewege betrachtet. \u00bbInsbesondere die skalierbare, semi-kontinuierliche Perowskit-Synthese in Pulverform mittels Spr\u00fchtrocknung stellt eine geeignete Screening-Methode f\u00fcr eine Vielzahl von Verbindungen und deren potenzieller Synthese dar. Die Methode l\u00e4sst sich auch auf industrierelevante Mengen anwenden.\u00ab, erkl\u00e4rte Dr. Benedikt Schug, Leiter der Partikeltechnologie am Fraunhofer-Institut f\u00fcr Silicatforschung ISC. Jedoch konnte das Forschungsteam mit keinen aus der Theorie vorhergesagten und experimentell synthetisierten bleifreien Materialien Tandemsolarzellen mit ausreichender Effizienz realisieren, da die intrinsischen Materialqualit\u00e4ten nicht ausreichend hoch waren.<\/p>\n\n\n\n

Reduktion des \u00f6kologischen Fu\u00dfabdrucks<\/h4>\n\n\n\n

Um den gesamten Produktlebenszyklus der Tandemsolarzellen zu ber\u00fccksichtigen, betrachteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch das Thema Recycling und M\u00f6glichkeiten einer geschlossene Kreislaufwirtschaft. Sie f\u00fchrten eine detaillierte Bewertung der Umweltauswirkungen der Produktion, der Nutzungsphase und des Produktlebensendes der Tandemsolarzellen durch und entwickelten <\/a>Recyclingkonzepte f\u00fcr Perowskit-Tandemmodule. \u00bbDurch den Einsatz von fortschrittlichen Recyclingprozessen kann eine Kreislaufwirtschaft f\u00fcr Photovoltaiksysteme auch f\u00fcr bleihaltige Perowskite geschaffen und eine langfristige Energieeffizienz gew\u00e4hrleisten werden\u00ab, fasste Prof. Dr. Peter Dold, Leiter der Fraunhofer-Einrichtung f\u00fcr Wertstoffkreisl\u00e4ufe und Ressourcenstrategie IWKS, die Ergebnisse zusammen.<\/p>\n\n\n\n

Anlagenkomponenten zur Kontaktierung der Perowskit-Teilzelle<\/h4>\n\n\n\n

Die Forschenden arbeiteten an der Entwicklung industrienaher Anlagekomponenten und Beschichtungstechnologien, um leistungsstarke Kontaktmaterialien f\u00fcr Elektron- und Lochkontakte im industriellen Waferformat G12 zu etablieren. Eine der Herausforderungen war dabei die Temperaturempfindlichkeit der Perowskitzelle, die bei der Herstellung des Frontkontaktsystems nur Temperaturen unter 100 \u00b0C zul\u00e4sst. Dar\u00fcber hinaus ist die Abscheidung eines transparent leitf\u00e4higen Oxids auf der Zelle erforderlich. Hierzu wurde eine neue Prozesskette bestehend aus der Kombination von ALD- und Verdampfungsprozessen in einer SALD-Hybridanlage realisiert und durch einen abschlie\u00dfenden Sputterprozess erg\u00e4nzt. \u00bbUnser Ziel ist nun der Transfer der Entwicklung\u00ab, erkl\u00e4rt Dr. Volker Sittinger, Abteilungsleiter Diamantbasierte Systeme und CleanTech am Fraunhofer-Institut f\u00fcr Schicht- und Oberfl\u00e4chentechnik IST. \u00bbGemeinsam mit Anlagenbauer und Endanwender arbeiten wir daran, die neue Prozesskette von der Forschung in die Anwendung zu \u00fcberf\u00fchren.\u00ab<\/p>\n\n\n\n

Effizienz und Stabilit\u00e4t der Tandemsolarzellen evaluieren<\/h4>\n\n\n\n

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nahmen zudem die Charakterisierung von Tandemsolarzellen in den Fokus und entwickelten Methoden zur sch\u00e4digungsfreien selektiven Analyse der Silizium- und Perowskit-Teilzellen. Mittels Daten der Charakterisierung konnte ein opto-elektrisches Simulationsmodell der Tandemsolarzelle f\u00fcr eine umfassende Verlustanalyse verwendet werden und eine praktische Obergrenze des Wirkungsgrades von 39,5 Prozent bestimmt werden. Dar\u00fcber hinaus entwickelten sie die mikrostrukturelle Analytik der Tandem-Solarzellen weiter. Sie evaluierten am Fraunhofer-Institut f\u00fcr Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS sch\u00e4digungsarme Focused Ion Beam-Techniken (FIB) f\u00fcr die Pr\u00e4paration von industriellen Tandemsolarzellen, die dann im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) hochaufl\u00f6send analysiert werden k\u00f6nnen. Ein spezieller Probenhalter wurde konstruiert, der die direkte Abscheidung von Absorber- und Kontaktschichten auf TEM-Substrate bei den Projektpartnern vor Ort erlaubt. Zudem wurden Methoden zur Untersuchung der Dicke, des Bedeckungsgrads und der chemischen Bindung von selbstorganisierenden molekularen Monoschichten entwickelt.<\/p>\n\n\n\n

Modellierung von Absorbermaterialien und Materialgrenzfl\u00e4chen<\/h4>\n\n\n\n

Das Forschungsteam entwickelte Berechnungsmodelle, mit denen strukturelle und photovoltaische Eigenschaften von relevanten Absorber-Materialien sowie deren Grenzfl\u00e4chen zu optisch transparenten und elektrisch leitenden Kontakt-Materialien akkurat und effizient beschrieben werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts f\u00fcr Werkstoffmechanik IWM erarbeiteten hierf\u00fcr einen Computational Simulation Workflow, der nicht nur f\u00fcr die Photovoltaik, sondern auch f\u00fcr industriell interessante Materialfragen in anderen Technologien zur Gewinnung, Umwandlung, Speicherung, Verteilung und Nutzung nachhaltiger Ressourcen elektrischer Energie \u2013 zum Beispiel Wasserstoff \u2013 einsetzbar ist.<\/p>\n\n\n

Quelle<\/h5>\r\n\n\n\n

Fraunhofer ISE 2024<\/a><\/p>\n

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