Ansatz
Die Tandem-Solarzellen aus Silizium und Perowskit können durch die Kombination beider Materialien einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Silizium-Solarzellen erreichen. Dafür wird auf die Silizium-Solarzellen mittels unterschiedlicher Beschichtungsverfahren eine dünne Schicht aus Perowskit-Kristallen aufgetragen. Die Kombination der beiden Materialien ist aufgrund der Absorption unterschiedlicher Bereiche des Sonnenspektrums besonders effizient. Diese gesteigerte Energieeffizienz führt dazu, dass auf weniger Fläche mehr Energie gewonnen werden kann. Die Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen eignen sich daher besonders für Aufdachanlagen und andere flächenbegrenzte Anwendungen. Die wesentliche Voraussetzung für die Marktreife ist die Weiterentwicklung der Perowskit-Technologie.
Bereits 2009 wurden die ersten Perowskit-Solarzellen durch ein japanisches Forschungsteam entwickelt. Im Oktober 2023 wurde ein neuer Weltrekord für den Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen aufgestellt.
- 65% Erneuerbare Energien
- Innovation
Datenblatt:
Themenfeld
Anlagentechnik / Erneuerbare Energien / Energieeffizienz
Art der Innovation
Bauteil / Bauweise
Reifegrad
Forschung
Initiator
Öffentliche Einrichtung
Herausforderungen
Während der Entwicklung der Tandem-Solarzellen zeigte Perowskit zu Beginn eine empfindliche Reaktion auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, Hitze, UV-Licht und mechanische Belastung, die zu Leistungseinbußen nach kürzester Zeit führten. Erst 2014 wurde eine erste Perowskit-Zelle entwickelt, die unter Einbezug von Kohlenstoff einen stabilen Betrieb sichern konnte (Quelle: SSES).
Trotzdem stellt die Langlebigkeit der Module weiterhin eine Herausforderung dar. Die Perowskit-Module erreichen derzeit nicht die Lebensdauer von vergleichbaren Silizium-Modulen. Eine weitere Herausforderung ist der Bestandteil von umweltschädlichen Stoffen wie Blei in den Perowskit-Zellen. Erste Bestrebungen, Blei durch Zinn zu ersetzen, existieren bereits, allerdings sind hier weitere Forschungen notwendig.
Ziele & Erfolge
Bereits heute erreichen Tandem-Solarzellen im Labor höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Silizium-Solarzellen. Der Perowskit-Halbleiter, der auf die Silizium-Solarzelle aufgebracht wird, ist sehr dünn und kann mit einfachen Prozessen aufgebracht werden. Die höhere Effizienz, die mittels niedriger Prozesskosten und geringem Materialeinsatz erreicht werden kann, führt zu einem höheren Energieertrag bei geringem, zusätzlichem Aufwand.
Im Fokus der nächsten Jahre stehen primär die Skalierung der Labortechnologie zur industriellen Reife sowie die Verbesserungen der Lebensdauer der Perowskit-Solarzellen auf das Niveau der heutigen Silizium-Solarzellen. Vor allem die Verbesserung der Lebensdauer der Solarzellen ist entscheidend, um die höhere Effizienz auch über den gesamten Lebenszyklus der Module zu erhalten und damit einen höheren Energieertrag zu erreichen.
Perowskit-Solarzellen sind nahezu marktreif. Oxford PV und das Fraunhofer ISE haben in Brandenburg das "effizienteste Silizium-Perowskit-Tandem Solarmodul der Welt im industriellen Format" entwickelt, ein bahnbrechender Weltrekord, der die herausragende Leistungsfähigkeit ihrer Tandem-Solarzellen als Solarmodule unterstreicht.
Zahlen & Daten
Der Wirkungsgrad ist bei Perowskit-Silizium-Solarzellen besonders wichtig. Herkömmliche Silizium-Solarzellen haben einen physikalisch begrenzten Wirkungsgrad von maximal 29,4 Prozent (Quelle: solarenergie.de). Für die Tandem-Solarzellen werden die Rekorde regelmäßig gebrochen, aktuell liegt der Wirkungsgrad bei 33,9 Prozent, und mit einem theoretischen Wirkungsgrad von 43 Prozent ist das Ende nicht erreicht. Theoretisch kann der Wirkungsgrad mit dem Stapeln weiterer Elemente zukünftig steigen (Quelle: PV-Magazin).
Aktueller Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen in Prozent
Aktuell unter Standardbedingungen erreichter maximaler Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen.
Theoretischer Wirkungsgrad von Tandem-Solarzellen in Prozent
Der theoretische Wirkungsgrad von Perowskit-Silizium-Tandemzellen liegt bei 43 Prozent.
Aktueller Wirkungsgrad von Tandem-Solarzellen in Prozent
Aktuell unter Standardbedingungen erreichter maximaler Wirkungsgrad von Tandem-Solarzellen.
