Startschuss für Technologieplattform zur Skalierung der Perowskit-Silicium Tandemphotovoltaik

Zelldesign von Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen und damit verknüpfte Fertigungsprozesse sind Gegenstand intensiver Forschung. © Fraunhofer ISE / Cell design of perovskite-silicon tandem solar cells and associated manufacturing processes are the subject of intensive research. © Fraunhofer ISE

Mikroskop-Aufnahme einer Perowskit-Silicium-Tandemsolarzelle auf texturiertem Silicium. Der Perowskit-Absorber wurde mittels Verdampfung der anorganischen Komponenten und anschließender nasschemischer Infiltration der organischen Komponenten hergestellt. © Fraunhofer ISE / Microscope image of a perovskite-silicon tandem solar cell on textured silicon. The perovskite absorber was fabricated by evaporation of the inorganic components followed by wet chemical infiltration of the organic components. © Fraunhofer ISE

Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen versprechen Wirkungsgrade von über 30 Prozent, Forschungslabors weltweit verkünden regelmäßig neue Spitzenwerte. Diese Rekorde werden jedoch auf Flächen realisiert, die um rund einen Faktor 400 kleiner sind als die aktuelle Wafergröße einer industriellen Silicium-Solarzelle. Solarforscherinnen und -forscher untersuchen aktuell mehrere vielversprechende Routen für eine skalierbare und wirtschaftliche Herstellung dieser Tandemsolarzellen. In den vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz finanzierten Forschungsprojekten »Pero-Si-SCALE« und »LiverPool« baut das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE nun eine unabhängige Technologieplattform zur Skalierung von Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen und -Modulen. Ziel ist die Weiterentwicklung und Analyse von Zell- und Moduldesigns sowie deren Herstellungsprozesse, bei denen ein schneller Transfer in die Industrie möglich ist.

»Eine solche Forschungsplattform für Perowskit-Silicium Tandemphotovoltaik auf dieser Technologie-Reifestufe ist bisher weltweit einmalig und damit ein Alleinstellungsmerkmal für die deutsche PV-Forschung und Entwicklung«, sagt Prof. Dr. Stefan Glunz, Bereichsleiter für Photovoltaik Forschung am Fraunhofer ISE. »So können wir die deutsche und europäische Photovoltaikindustrie, auch in Zusammenarbeit mit weiteren deutschen Forschungseinrichtungen, effektiv bei der Entwicklung und Umsetzung der nächsten Solarzellengeneration unterstützen.«

Mit der Pero-Si-SCALE Plattform sollen Prozesse, Technologien und Kompetenzen aufgebaut und entwickelt werden, die notwendig sind, um auf dem industriellen Waferformat M12 Perowskit-Silicium Solarzellen und Module herzustellen, charakterisieren und prüfen zu können. »Dafür bauen wir bis Ende 2024 eine Prozesslinie auf«, sagt Dr. Martin Hermle, Projektleiter für den Aufbau der Technologieplattform am Fraunhofer ISE. »Diese beinhaltet Anlagen zur Vakuumabscheidung und nasschemische Beschichtungsprozesse für die Perowskit Teilzelle der Tandemsolarzelle. Auf Modulebene wird für die Entwicklung der Herstellungsprozesse ein industrieller Klebestringer der nächsten Generation zur Verfügung stehen, sowie ein Lumineszenz-System zur Prozesskontrolle des Verschaltungsprozesses. Darüber hinaus können wir im Projekt die Charakterisierung, die Kalibrierung und die Qualitätsanalyse von Solarzellen und Modulen am Fraunhofer ISE auf große Wafer erweitern.«

Für die Herstellung der bisher genutzten Laborzellen mit einem Quadratzentimeter Fläche ist die am häufigsten verwendete Methode das nasschemische Spin-Coating. Diese Methode ist für kleine Laborformate praktisch und ermöglicht ein schnelles Testen neuer Zelldesigns. Allerdings ist Spin-Coating nicht auf industrielle Substratgrößen skalierbar. Für das Aufbringen der Perowskit-Teilzelle auf die Silicium-Teilzelle, sowie der Kontakte, stehen auf der Pero-Si-SCALE Plattform deshalb Aufdampfprozesse im Fokus. Die Entwicklung industriell umsetzbarer, vakuumbasierter Verdampfungsmethoden für Perowskit-Materialien und Kontaktschichten ist Ziel des Projekts »LiverPool«.

Die Hochskalierung der Perowskit-Silicium-Tandemtechnologie ist auch Thema auf dem diesjährigen tandemPV Workshop, der vom 6. Bis 8. Juni 2023 in Chambéry, Frankreich stattfindet. Die Wissenschaftlerin Dr. Patricia Schulze und der Wissenschaftler Oussama Er-Raji, beide vom Fraunhofer ISE, halten Vorträge in der Session ‚Process and Upscaling‘. Oussama Er-Raji gibt dabei Einblicke in die hybride Prozessroute für die Realisierung hocheffizienter Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen. Dr. Patricia Schulze gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Perowskit-Silicium-Tandemphotovoltaik am Fraunhofer ISE.