Fraunhofer ISE: „Manitu“ soll neue Perspektiven für europäische Solarindustrie schaffen

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Die Effizienzen herkömmlicher kristalliner Solarzellen sind weitgehend ausgereizt. Doch mit alternativen Technologien lassen sich Wirkungsgrade von mehr als 35 Prozent erreichen, weshalb die Forschungen auf diesem Feld weiter vorangetrieben werden.  Tandemsolarzellen aus mehreren lichtabsorbierenden Schichten stehen daher auch im Mittelpunkt des Fraunhofer-Leitprojekts „Manitu“. Die Abkürzung steht für „Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen mit höchster Umwandlungseffizienz“, wobei vor allem die Perowskit-Technologie und neue Absorbermaterialien im Fokus stehen.

Bereits innerhalb der vergangenen Dekade sei der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen von 3,8 auf 24,2 Prozent gesteigert worden. Die einfache Herstellung der Zellen verspricht sehr geringe Produktionskosten. Als Perowskit-Materialien gelten dabei alle Materialien, deren Kristallstruktur der des Minerals Kalziumtitanat entspricht, wie es vom federführenden Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE am Dienstag hieß. Sie können Licht besonders gut absorbieren und ermöglichen eine hohe Elektronenbeweglichkeit. Außerdem sei diese Materialklasse aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften auch für den Einsatz in Tandemstrukturen auf Basis von Siliziumsolarzellen geeignet.

Gerade in der Herstellung hocheffizienter Solarmodule mit Tandemsolarzellen sieht das Fraunhofer ISE auch eine Chance, in Europa wieder Photovoltaik-Hersteller anzusiedeln, die konkurrenzfähig mit asiatischen Produzenten sind. „Für Deutschland ergibt sich durch die Entwicklung innovativer und disruptiver Technologien wie Tandemsolarzellen die Chance, neben Forschung, Anlagenbau und Materialbereitstellung auch bei der Produktion der Solarzellen wieder eine internationale Spitzenstellung zu erreichen“, sagt Projektleiter Andreas Bett, der auch Institutsleiter des Fraunhofer-ISE ist. „So eröffnet Manitu auch eine alternative Perspektive für eine erfolgreiche europäische produzierende Photovoltaik-Industrie.“

Das Leitprojekt ist auf vier Jahre angelegt und soll das Synergiepotenzial verschiedener Institute ausschöpfen. Neben dem ISE sind auch das Fraunhofer ISC, IWM, IST, IMWS und IWKS beteiligt. Sie bringen ihre Erkenntnisse zur theoretischen und experimentellen Materialwirtschaft sowie technologische, wirtschaftliche und ökologische Expertise ein, um Lösungen für die Herausforderungen der deutschen Solarindustrie zu liefern.

Struktur einer Tandemsolarzelle mit einer nur wenige 100 Nanometer dünnen Perowskit-Schicht, wie sie aktuell realisiert wird. Problematisch ist die Verwendung von Blei.

Quelle: Fraunhofer ISE

Ein Schwerpunkt wird dabei auch auf der Verwendung von Blei in Perowskit-Tandemsolarzellen liegen. Dessen Nutzung sei nicht unproblematisch, zumal in den kommenden fünf bis zehn Jahren die weltweiten Photovoltaik-Installationen auf mehr als ein Terawatt jährlich steigen dürften. Nach Ansicht der Forscher müsste dann die Verwendung solch kritischer Materialien wie Blei konsequent vermieden werden. Bei „Manitu“ werden daher ausgehend von bekannten Perowskit-Absorbermaterialien neue bleifreie Absorberschichten sowie darauf abgestimmte Kontakt- und Passivierungsschichten entwickelt, wie es weiter heißt. Kritische und giftige Stoffe würden von Anfang an ausgeschlossen.Mit der gemeinsamen Behandlung von Absorber- und Kontaktschichten könnten Grenzflächeneffekte gezielt für die gewünschten Funktionalitäten eingesetzt werden. Danach werde die Perowskit-Solarzelle direkt auf einer herkömmlichen Silizium-Solarzelle abgeschieden. Weil die einzelnen Solarzellen jeweils unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums besonders effizient nutzen, steigt der Wirkungsgrad insgesamt. Mit der gleichen Fläche lässt sich dann mehr Solarstrom erzeugen. Am Ende der Entwicklung will das Projekt dann noch die Stabilität und hohen Wirkungsgrade auf Modulebene demonstrieren – ein Punkt, warum es die Perowskit-Technologie bislang noch nicht in die Massenproduktion geschafft hat.