Forscher der Technischen Universität Delft haben ein neuartiges Modell vorgestellt, das die tolerierbaren Degradationsraten der Perowskit-Oberschicht in monolithischen Zwei-Terminal-Tandemmodulen (Perowskit-Silizium) unter verschiedenen Klimabedingungen quantifiziert. Das Modell kombiniert physikalische Informationen der Silizium-Unterschicht mit einem szenariobasierten Ansatz für die Perowskit-Oberschicht und liefert damit eine realistische Vorhersage der Langzeitstabilität – ein entscheidender Faktor für die Kommerzialisierung hocheffizienter Tandemsolarzellen.
Seiteninhalte
- Herausforderungen bei der Modellierung von Perowskit-Silizium-Tandemmodulen
- Das hybride Modell von TU Delft – Kombination von physikalischem und szenariobasiertem Ansatz
- Ergebnisse: Tolerierbare Degradationsraten unter verschiedenen Klimabedingungen
- Einfluss von Modul-Effizienz und Degradationsart auf die Leistungsfähigkeit
- Praktische Anwendung des vereinfachten Arrhenius-Modells
- Potenzial für Umwelt- und Nachhaltigkeitsanalysen
- Kritische Bewertung und offene Fragen
- FAQ
- Fazit
Herausforderungen bei der Modellierung von Perowskit-Silizium-Tandemmodulen
Bisherige Limitationen bei physikalischen und szenariobasierten Ansätzen
Frühere Studien nutzten entweder rein physikalische Modelle für kristalline Silizium-Module oder ausschließlich szenariobasierte Simulationen für Perowskit-Module. Beide Ansätze konnten klimatische und materialspezifische Faktoren nicht gleichzeitig berücksichtigen. Das TU-Delft-Modell ist das erste, das beide Methoden kombiniert, um unter variierenden Umweltbedingungen realistische Vorhersagen zu ermöglichen.
Mangel an langfristigen Outdoor-Messdaten für Perowskit-Module
Im Gegensatz zu Silizium-Modulen, für die jahrzehntelange Feldmessungen vorliegen, gibt es für Perowskit-Solarmodule bislang keine ausreichend langen Outdoor-Zeitreihen. Deshalb basieren die Validierungen des neuen Modells auf Laborexperimenten und Literaturwerten, was die Notwendigkeit von Simulationsmodellen unterstreicht.
Das hybride Modell von TU Delft – Kombination von physikalischem und szenariobasiertem Ansatz
Das entwickelte Dualmodell sagt sowohl den jährlichen Energieertrag als auch die Degradationsraten für verschiedene Umgebungsbedingungen voraus. Es integriert vier kritische Degradationspfade:
- Verfärbung (Discoloration)
- Feuchtigkeitsinduzierte Degradation (MID)
- Thermisches-Cycling-induzierte Degradation (TC)
- Lichtinduzierte Degradation (LID)
Zwei weitere Mechanismen – Hotspot-Degradation und potenzialinduzierte Degradation (PID) – konnten aus technischen Gründen nicht berücksichtigt werden, was als Limitation des Ansatzes genannt wird.
Ergebnisse: Tolerierbare Degradationsraten unter verschiedenen Klimabedingungen
Das Modell wurde für vier Standorte mit unterschiedlichen Klimaten validiert: Delft (Niederlande), Lagos (Nigeria), Lissabon (Portugal) und Shanghai (China). Die wichtigsten tolerierbaren Jahresdegradationsraten sind:
- Delft: 1,9 % / Jahr
- Lagos: 7,6 % / Jahr
Die höheren zulässigen Raten in tropischen Klimazonen wie Lagos resultieren aus einer kürzeren erwarteten Modullebensdauer, während in gemäßigten Regionen wie Delft eine sehr niedrige Degradationsrate erforderlich ist, um über 30 Jahre hinweg konkurrenzfähig zu bleiben.
Einfluss von Modul-Effizienz und Degradationsart auf die Leistungsfähigkeit
Der Wirkungsgrad des Tandemmoduls hat einen direkten Einfluss auf die tolerierbare Degradationsrate:
- Eine Steigerung der Modul- Effizienz von 28,0 % auf 32,9 % erhöht die tolerierbare Degradationsrate um etwa 50 %.
Die Art der Degradation (Strom- vs. Spannungsverlust) beeinflusst den Gesamtertrag unterschiedlich:
- 10 % Stromverlust in der Perowskit-Subzelle führen zu einem Gesamt-Leistungsverlust von 8,7 %.
- 10 % Spannungsverlust führen zu einem Gesamt-Leistungsverlust von 6,2 %.
Diese asymmetrischen Auswirkungen zeigen, dass ein einzelner, allgemeiner Degradationswert nicht ausreicht – Hersteller müssen zwischen strom- und spannungsgetriebener Degradation unterscheiden.
Praktische Anwendung des vereinfachten Arrhenius-Modells
Um die rechenintensive Simulation zu reduzieren, entwickelte das Team ein vereinfachtes, Arrhenius-basiertes Modell. Es verwendet nur zwei Eingabeparameter – Modul-Effizienz und Umgebungstemperatur – und erreicht dabei eine Vorhersagegenauigkeit von 0,34 % / Jahr (Root Mean Square Error).
Dieses empirische Modell steht anderen Forschungsgruppen und Herstellern zur Verfügung, sodass tolerierbare Degradationsraten für beliebige Standorte und Zellwirkungsgrade schnell berechnet werden können.
Potenzial für Umwelt- und Nachhaltigkeitsanalysen
Durch die Kombination mit Life-Cycle-Assessment-Daten aus der Literatur lässt sich das Modell nicht nur für energetische Bewertungen, sondern auch für ökologische Fußabdruckanalysen einsetzen. So können Perowskit-Silizium-Tandemmodule sowohl energetisch als auch ökologisch mit herkömmlichen kristallinen Silizium-Modulen verglichen werden.
Das Forschungsteam arbeitet parallel an Themen wie Kreislaufwirtschaft, kritischer Rohstoffbedarf und innovativen Encapsulierungstechnologien (z. B. flüssige Encapsulants), wodurch die Degradationsstudie in einen breiteren Nachhaltigkeitskontext eingebettet ist.
Kritische Bewertung und offene Fragen
- Fehlende Integration von Hotspot- und PID-Degradation: Diese Mechanismen könnten unter bestimmten Betriebsbedingungen relevant sein, wurden jedoch aufgrund von Limitierungen der PVMD-Toolbox ausgeschlossen.
- Abhängigkeit von Simulationen statt Langzeit-Outdoor-Daten: Da Perowskit-Module keine mehrjährigen Feldmessungen besitzen, beruhen alle Vorhersagen auf Labormodellierungen und Literaturwerten.
- Begrenzte geografische Validierung: Das Modell wurde nur für vier Standorte getestet; die Übertragbarkeit auf extremere Klimazonen (z. B. Wüsten) bleibt unklar.
- Annahme keiner Degradation im Silizium-Bottom-Cell: In einer Kalibrierung wird angenommen, dass das Silizium-Subcell nicht degradiert, obwohl in der Praxis auch Silizium einem langsamen Abbau unterliegt.
FAQ
Warum ist die tolerierbare Degradationsrate in Lagos viermal höher als in Delft?
Das liegt an den unterschiedlichen Klimabedingungen und erwarteten Modullebensdauern. In Delft, einem gemäßigten Klima, wird eine Lebensdauer von über 30 Jahren angestrebt, sodass bereits kleine Degradationsraten zu signifikanten Verlusten führen. In Lagos, einem tropischen Klima, ist die erwartete Lebensdauer kürzer, sodass höhere jährliche Degradationsraten toleriert werden können, ohne die Gesamtertragsschwelle zu unterschreiten.
Kann das Modell von anderen Forschern verwendet werden?
Ja. Das Team hat ein vereinfachtes, empirisches Modell entwickelt, das auf Modul-Effizienz und Umgebungstemperatur basiert und zur Berechnung von Degradationsraten für beliebige Standorte bereitsteht.
Sind Perowskit-Silizium-Tandemmodule bereits marktreif?
Derzeit noch nicht. Die Studie identifiziert die erforderliche Stabilität der Perowskit-Subzelle, um wirtschaftlich sinnvoll zu sein. Ob aktuelle Materialien diese Vorgaben erfüllen, wird in separaten Degradationsstudien untersucht.
Welcher Degradationsmechanismus ist am gravierendsten?
Das Modell behandelt Verfärbung, MID, TC und LID als die häufigsten und schwersten Mechanismen. Die tatsächliche Dominanz hängt vom Standort und der Modulqualität ab, wobei strom-getriebene Degradation (Stromverlust) laut den Ergebnissen größere Auswirkungen auf die Gesamtleistung hat als spannungs-getriebene Degradation.
Fazit
Das von TU Delft entwickelte hybride Modell stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Bewertung der Langzeitstabilität von Perowskit-Silizium-Tandemmodulen dar. Durch die Kombination physikalischer und szenariobasierter Ansätze können Standort- und Effizienz-abhängige tolerierbare Degradationsraten exakt bestimmt werden – von 1,9 % / Jahr in Delft bis 7,6 % / Jahr in Lagos. Die asymmetrischen Auswirkungen von Strom- versus Spannungsverlust verdeutlichen die Notwendigkeit differenzierter Stabilitätsstrategien. Das vereinfachte Arrhenius-Modell ermöglicht eine schnelle, präzise Berechnung mit nur zwei Eingabeparametern und einem RMSE von 0,34 % / Jahr, was die Standardisierung von Lebensdauer-Prognosen fördert. Zusätzlich eröffnet die Möglichkeit, das Modell mit LCA-Daten zu kombinieren, neue Perspektiven für ökologische Bewertungen. Trotz bestehender Limitationen – fehlende Hotspot- und PID-Degradation, begrenzte Feldvalidierung und Annahmen zur Silizium-Degradation – liefert das Modell ein robustes Fundament für weitere Forschungsarbeiten und die zukünftige Industrialisierung hocheffizienter Tandemsolarzellen.
