Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat ein neues Labor – das „Pero-Si-SCALE“ – eröffnet, um die Markteinführung von Solarzellen, die Perowskit- und Silizium-Materialien kombinieren, zu beschleunigen. Durch die Kombination beider Halbleiter lässt sich das theoretische Wirkungsgradlimit von 29,4 % auf bis zu 43,3 % steigern. In einem Markt, der bis 2026 jährlich um 20-25 % wachsen soll, stellt diese Technologie einen entscheidenden Hebel für die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Photovoltaik-Industrie dar.
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Warum Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen entscheidend sind
Die Forschung an Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen kann die Effizienz von Solarenergie erheblich erhöhen. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet mehr Stromausbeute auf kleinerer Fläche und geringeren Materialeinsatz – ein zentraler Vorteil im Kontext eines stark wachsenden PV-Marktes.
- Aktuelles theoretisches Wirkungsgradlimit: 43,3 % (nach Aufbringen einer 500 nm dicken Perowskit-Schicht auf Silizium) – Quelle: Fraunhofer ISE.
- Labor-Ergebnis der Hybrid-Route: über 33 % Wirkungsgrad – Quelle: Fraunhofer ISE, 2023 (S1).
- Globale PV-Produktionssteigerung: 20-25 % pro Jahr bis 2026 – Quelle: IRENA, 2021 (S2).
Das neue Labor Pero-Si-SCALE am Fraunhofer ISE
Das Labor bietet der deutschen und europäischen Photovoltaik-Industrie eine unabhängige Forschungs- und Entwicklungs-Infrastruktur. Es ermöglicht die Hochskalierung von Labor-Zelldesigns auf industrielle Zellformate bis zu einer Wafergröße von 210 mm × 210 mm.
- Ziel: Beschleunigte Markteinführung von Perowskit-Silizium-Solarzellen.
- Kapazität: Skalierung von Zellformaten bis 210 mm × 210 mm.
- Zusatz: Umfangreiche Charakterisierungs- und Analyse-Umgebung.
Prof. Dr. Stefan Glunz betont: „Tandemsolarzellen sind der entscheidende Hebel für noch mehr Effizienz. Das bedeutet: mehr Solarenergie auf kleinerer Fläche und mit geringerem Materialeinsatz.“
Hybrid-Herstellungsroute: Vakuum- und nasschemische Prozesse
Die Hybrid-Route kombiniert Vakuum- und nasschemische Verfahren. Dadurch können bereits texturierte Silizium-Solarzellen aus der Industrie weiterverwendet werden, sodass das neue Tandemmodul nahtlos an den heutigen Standard anschließt.
- Spitzenwirkungsgrad im Labormaßstab: >33 %.
- Vorteil: Nutzung bestehender Silizium-Produktionslinien.
- Herausforderung: Integration verschiedener Dünnschicht-Technologien mit waferbasierter Siliziumtechnologie.
Marktwachstum und Wettbewerbsdruck
Die globale Photovoltaik-Industrie wird bis 2026 voraussichtlich um 20-25 % pro Jahr wachsen. Dieser Trend erhöht den Druck, effizientere Technologien zu entwickeln, um Marktanteile zu sichern.
Gleichzeitig haben etablierte Unternehmen Rekorde von über 34 % Wirkungsgrad bei Tandemsolarzellen erzielt (2021, 34,5 % – Quelle S3). Damit wird die Notwendigkeit deutlich, dass das Fraunhofer ISE mit seinen über 33 %-Ergebnissen konkurrenzfähig bleibt.
Aktuelle Wirkungsgradrekorde im Vergleich
Im Jahr 2021 erreichte ein Marktführer einen maximalen Wirkungsgrad von 34,5 % bei Tandemsolarzellen. Das Fraunhofer ISE hat im Jahr 2023 einen Wirkungsgrad von 33,0 % gemessen, was die Nähe zu den Rekordwerten verdeutlicht und das Potenzial der hybriden Fertigungsroute unterstreicht.
- Rekord (2021): 34,5 % – Quelle S3.
- Fraunhofer ISE Ergebnis (2023): 33,0 % – Quelle S1.
- Theoretisches Limit mit Perowskit-Schicht: 43,3 %.
Herausforderungen und Investitionskosten
Hohe Investitionskosten für Forschung und Entwicklung können die kurzfristige Rentabilität neuer Technologien beeinträchtigen. Langfristige Planungen und staatliche Förderungen, etwa durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), sind notwendig, um die Markteinführung zu unterstützen.
- Risiko: Hohe Anfangsinvestitionen.
- Notwendigkeit: Langfristige Förderungen und industrielle Partnerschaften.
- Strategische Bedeutung: Stärkung der europäischen PV-Fertigung.
FAQ zu Perowskit-Solarzellen
Perowskit-Solarzellen
Perowskit-Solarzellen sind eine Art von Solarzellen, die ein spezielles Material namens Perowskit nutzen, um hohe Effizienzwerte zu erzielen.
Fazit
Das neue Labor Pero-Si-SCALE am Fraunhofer ISE verbindet eine hybride Fertigungsroute mit industrietauglichen Wafergrößen und ermöglicht Wirkungsgrade von über 33 %. Angesichts eines globalen PV-Marktwachstums von 20-25 % pro Jahr und bereits bestehender Rekorde von über 34 % stellt die Forschung an Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen einen kritischen Schritt zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit Europas dar. Trotz hoher Investitionskosten bietet die Technologie das Potenzial, mehr Solarenergie auf kleinerer Fläche zu erzeugen und die europäische Photovoltaik-Industrie langfristig zu stärken.
