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Solarenergie Tandem-Solarmodul mit Wirkungsgrad-Rekord

| Redakteur: Beate Christmann

Wissenschaftler haben ein neues Tandem-Solarmodul aus Perowskit- und CIGS-Dünnschichten (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid) vorgestellt. Dessen Effizienz von 17,8 % übertrifft erstmals den Wirkungsgrad von Einzel-Solarmodulen aus diesen Materialien.

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Prototypen der Tandem-Solarmodule, bestehend aus einem semitransparenten Perowskit-Solarmodul (rechts/vorne) und einem CIGS-Solarmodul (links/hinten).
Prototypen der Tandem-Solarmodule, bestehend aus einem semitransparenten Perowskit-Solarmodul (rechts/vorne) und einem CIGS-Solarmodul (links/hinten).
(Bild: imec/ZSW/KIT)

Dünnschicht-Technologien könnten die Kosten für Solarmodule der nächsten Generation dramatisch senken. Ihre Herstellung ist günstig, aber insbesondere die Verbindung komplementärer Absorbermaterialien in einem Tandem-Solarmodul steigert die Wirkungsgrade. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sowie des belgischen Forschungsinstitutes Imec haben auf der internationalen Konferenz PSCO in Genua ein Tandem-Solarmodul aus Perowskit- und CIGS-(Kupfer-Indium-Gallium-Selenid)-Dünnschichten präsentiert, dessen Effizienz von 17,8 % erstmals die Effizienz von Einzel-Solarmodulen aus diesen Materialien übertrifft.

Weltrekord beim Wirkungsgrad

„Mit unserem Modul haben wir gezeigt, wie ein skalierbares Perowskit-CIGS-Solarmodul die Effizienz der Einzel-Solarmodule dieser Materialien drastisch übertreffen kann“, unterstreicht Dr. Ulrich W. Paetzold vom KIT. Seine neu eingerichtete Nachwuchsgruppe am Institut für Mikrostrukturtechnik und am Institut für Lichttechnik des KIT erforscht und optimiert den Lichteinfang und die Energieausbeute in diesen Tandem-Dünnschicht-Solarmodulen.

Prof. Michael Powalla, Leiter der Abteilung Dünnschichtphotovoltaik am KIT sowie Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs Photovoltaik am ZSW, führt aus: „Mit dem neuen Modul-Stack wurde eine elegante Methode gefunden, durch die Kombination zweier hoch innovativer Dünnschicht-Technologien das Sonnenspektrum optimal auszunutzen.“ Das semitransparente obere Perowskit-Solarmodul absorbiert effizient den hochenergetischen Anteil des Sonnenspektrums, während die untere CIGS-Schicht eher die infraroten Anteile umwandelt. Insgesamt erzielt der Prototyp eine Energieumwandlungseffizienz von 17,8 %. Zum Vergleich: Der Weltrekord für Perowskit-Module liegt derzeit bei 15,3 % und das Referenz CIGS-Solarmodul bei 15,7 %.

Interdisziplinäres Forschungsteam

Zusätzlich zeichnet sich der vorgestellte Prototyp durch eine industrietaugliche und skalierbare Bauelementarchitektur aus. Der Prototyp ist rund 3,76 cm2 groß und sowohl das semitransparente Perowskit-Solarmodul als auch das CIGS-Solarmodul sind in skalierbare Zellstreifen unterteilt, die monolithisch verschaltet sind, das heißt, dass die Verschaltung der Einzelzellen zum Modul in den Herstellprozess integriert werden kann. Die Verluste der aktiven Fläche liegen bei unter 8 %.´

„Dieses Resultat ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit von Kollegen am ZSW, Imec und KIT“, hebt Dr. Tom Aernouts, Gruppenleiter am Imec, hervor. Das belgische Forschungsinstitut Imec ist führend in der Herstellung semitransparenter Perowskit-Solarmodule. In der Entwicklung und Skalierung CIGS-basierter Solarzellen und -module ist das ZSW Vorreiter und hält den Wirkungsgrad-Weltrekord von 22,6 % für CIGS-Dünnschicht-Solarzellen, die grundlegenden Bauelemente für die verschalteten Solar-Module. Die Helmholtz-Nachwuchsgruppe von Dr. Ulrich W. Paetzold am KIT erforscht die Optik in diesem Bauelement und entwickelt neue nanophotonische Materialien zur verbesserten Lichtausbeute.

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