NREL-Forscher skizzieren den Weg für Tandem-Solarzellen

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Wie das alte Sprichwort sagt: Zwei Köpfe sind besser als einer. Das Gleiche gilt, wenn es um im Tandem arbeitende Solarzellen geht.

Forscher am National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums haben einen Fahrplan erstellt, wie Tandem-Solarzellen – insbesondere solche, die verschiedene Photovoltaik-Technologien miteinander verbinden – der Kommerzialisierung näher gebracht werden können.

Wie die Forscher in a kürzlich veröffentlichter Artikel im Tagebuch Joule, muss weltweit deutlich mehr Solarstrom über die derzeit installierte Leistung von 1 Terawatt hinaus hinzugefügt werden. Aufgrund der wachsenden Bevölkerung und der zunehmenden Elektrifizierung aller Energiesektoren prognostizieren Experten, dass die Welt bis 2050 75 Terawatt Photovoltaik (PV) benötigen wird.

Die überwiegende Mehrheit der heute verwendeten Solarmodule basiert auf einer einzigen Verbindung, die nur einen Bruchteil des Sonnenspektrums absorbieren kann und daher nur begrenzt effizient ist. Tandem-Solarzellen, die aus zwei oder mehr Verbindungen bestehen, bergen das Potenzial, deutlich höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Da Tandems übereinander gestapelt sind, verringert sich die Gesamtfläche, die ein Modul benötigt – was wiederum die Effizienz erhöht und möglicherweise die Gesamtsystemkosten senkt.

Kirstin Alberi, die Hauptautorin des Zeitschriftenartikels mit dem Titel „Eine Roadmap für Tandem-Photovoltaik“, sagte, hocheffiziente III-V-Mehrfachsolarzellen seien schon seit Jahrzehnten verfügbar, allerdings in kleinem Maßstab und hauptsächlich für Weltraumanwendungen wie die Stromversorgung von Satelliten. Alberi, Direktor des Materials Science Center am NREL, sagte, dass neuere Arten von Hybrid-Tandemmodulen, die skalierbarere PV-Technologien verwenden, derzeit sowohl von großen Herstellern als auch von Start-up-Unternehmen in der Entwicklung seien, „aber uns ist nichts bekannt, das in Massenproduktion hergestellt und verkauft wird.“ kommerziell.”

Alberi und ihre 17 Co-Autoren aus dem vom Energieministerium finanzierten Labor versuchen, Forscher und Hersteller zur Zusammenarbeit anzuregen, mit dem Ziel, schnelle Fortschritte bei der Massenproduktion von Tandems zu erzielen.

Sie erläuterten die Fortschritte, die gemacht werden müssen:

• Erhöhen Sie die Effizienz von Solarzellen auf Rekordniveau und übertragen Sie diese Effizienz dann auf Module und die Massenfertigung
• Identifizieren und beheben Sie Zuverlässigkeits- und Haltbarkeitsprobleme
• Erarbeiten Sie das Design von Hybrid-Tandem-PV-Modulen und -Systemen, um den Einsatz zu beschleunigen.

Der Schwerpunkt der Roadmap liegt auf Hybrid-Tandems, bei denen zwei oder mehr unterschiedliche PV-Technologien kombiniert werden, um maximale Effizienz zu erzielen. Da es eine Vielzahl von Materialien gibt, die Sonnenlicht absorbieren sollen, gibt es zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten für die Bildung von Tandems. Diese Materialien werden in zwei Gruppen eingeteilt: diejenigen, die sich am besten für obere Zellen eignen, und solche, die sich am besten für untere Zellen eignen. Durch die richtige Abstimmung der beiden Verbindungsstellen erhöht sich die Menge an Sonnenlicht, die absorbiert und in Strom umgewandelt wird. Eine Top-Solarzelle aus Metallhalogenid-Perowskiten könnte beispielsweise die Leistung einer Single-Junction-Siliziumsolarzelle steigern.

„Metallhalogenid-Perowskite gelten aus Kosten- und Effizienzsicht als erster Wegbereiter für Hybrid-Tandems“, sagte Alberi. „Sie bieten als Top-Zellen einen ausreichend hohen Wirkungsgrad und sind außerdem so kosteneffektiv, dass die Tandem-Zellen viel höhere Wirkungsgrade haben als die Einfachzellen beider Technologien.“

Der Begriff Perowskit bezieht sich auf eine kristalline Struktur und nicht auf ein bestimmtes Element wie Silizium. Die Forschung zur Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen, die sich als äußerst effizient erwiesen haben, wird fortgesetzt. Perowskite sind außerdem einfacher und kostengünstiger herzustellen als viele andere Solartechnologien.

Die Tandem-Roadmap plädiert dafür, das Potenzial anderer Materialien als Spitzenzelle zu berücksichtigen. Galliumarsenid (GaAs) und Galliumindiumphosphid (GaInP) sind beide Kandidaten, da sie die höchste Effizienz aller Single-Junction-Geräte aufweisen. Der Hauptnachteil ihrer Verwendung ist jedoch der hohe Herstellungsaufwand. Forscher am NREL haben nach günstigeren Herstellungsmethoden gesucht.

Das offensichtliche Material für eine untere Zelle sei Silizium, das in der Solarindustrie vorherrscht, sagten die Forscher. Ein Tandem aus einer oberen Metallhalogenid-Perowskit-Zelle und einer unteren Siliziumzelle hält derzeit den Effizienzrekord.

Ein Tandem bringe zusätzliche Herausforderungen mit sich, sagte Emily Warren, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Gruppe „High-Efficiency Crystalline Photovoltaics“ am NREL und Mitautorin des Roadmap-Papiers.

„Bei Single-Junction-PV-Materialien werden Module hergestellt, indem einzelne Zellen seitlich in Reihe miteinander verbunden werden“, sagte sie. „Bei Tandems gibt es mehrere Möglichkeiten, die Zellen miteinander zu verbinden, was dem Design von Tandemmodulen eine weitere Ebene der Komplexität verleiht.“

Nur drei Single-Junction-PV-Technologien konnten erfolgreich auf eine Produktion von mindestens einem Gigawatt skaliert werden. Neben Silizium haben auch Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und Cadmiumtellurid (CdTe) Einzug gehalten. CIGS eignet sich für eine untere Zelle und CdTe als obere Zelle.

Die Forscher sagten, der Kontrast in den Kommerzialisierungsverläufen zwischen Silizium und den Dünnschichtzellen aus CIGS und CdTe biete Einblicke in die Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, um eine Tandemtechnologie im Gigawatt-Maßstab zu etablieren. Silizium-PV profitierte von großen Investitionen der Halbleiter-Community, die zu gemeinsamem Wissen und standardisierten Prozessen führten. Auf CIGS und CdTe spezialisierte Unternehmen haben ihre Prozesse und Abscheidungstechniken jedoch sorgfältig gehütet, während sie versuchen, gegen Silizium-PV vorzugehen.

Die Roadmap sieht eine gemeinsame Anstrengung vor, beispielsweise ein Konsortium ähnlich jenen, die zur Förderung der Herstellung von Perowskiten und CdTe-Solarmodulen gegründet wurden. Dies würde Industrie und Forscher zusammenbringen, „um gemeinsame Probleme zu diskutieren und gewonnene Erkenntnisse auszutauschen“, heißt es im Roadmap-Papier. Einige Konsortien arbeiten bereits an Perowskit-basierten Tandems.

„Bestehende Konsortien haben sich bei der Entwicklung und Kommerzialisierung von Single-Junction-PV-Technologien als äußerst hilfreich erwiesen, da sie beim Informationsaustausch helfen, sich für bereichsübergreifende Forschung einsetzen können, die dem gesamten Bereich hilft, und größere Gruppen von Interessengruppen darauf fokussieren können.“ „Wir arbeiten zusammen, um Probleme zu lösen, die sich auf den gesamten Bereich auswirken“, sagte Alberi. „Wir glauben, dass Konsortien eine ähnliche Rolle bei der Entwicklung von Hybrid-Tandems spielen könnten, insbesondere weil wir uns noch am Anfang der Kommerzialisierungsphase dieser Technologie befinden.“

Artikel von NREL | Von Wayne Hicks | Lerne mehr über Solar- Und PV-Forschung bei NREL.