Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMIm Fraunhofer-Leitprojekt »MaNiTU« entwickelten sechs Fraunhofer-Institute im Verbund nachhaltige, höchsteffiziente und kostengünstige Tandemsolarzellen auf Basis neuer Absorbermaterialien.
Materialien für nachhaltige Tandemsolarzellen mit höchster Umwandlungseffizienz
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Der Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen lässt sich nicht mehr beliebig steigern. Die dafür verantwortlichen physikalischen Grenzen können mit Tandemsolarzellen überwunden werden. Mit ihnen sind Wirkungsgrade über 35 % möglich. Tandemsolarzellen stehen deshalb im Fokus der aktuellen Solarzellenforschung. Hier hat das Leitprojekt MaNiTU angesetzt und höchsteffiziente und kostengünstige Tandemsolarzellen auf Basis von Perowskit-Absorbermaterialien in Kombination mit Silicium entwickelt.
Durch die enge Verzahnung von theoretischer Modellierung und experimentellen Arbeiten zu Absorber und Kontaktschichten war es möglich, im Rahmen des Projekts Grenzflächeneffekte zu verstehen und gezielt für gewünschte Funktionalitäten einzusetzen. Am Ende des Projektes konnten Stabilität und hohe Wirkungsgrade auf Modulebene demonstriert werden.
Arbeitspakete Fraunhofer IWM:
Durch quantenmechanische und atomistische Simulationen wurden die elektronischen, optischen und strukturellen Eigenschaften potenzieller Absorbermaterialien vorhergesagt und Materialgrenzflächen – etwa zwischen den Absorberschichten einer Tandemzelle – auf atomarer Ebene analysiert und optimiert.
Das Fraunhofer IWM maßgeblich dazu beigetragen, die Suche nach optimalen Materialkombinationen für Tandemsolarzellen gezielt zu steuern, Defektmechanismen und Degradationsprozesse an Grenzflächen zu identifizieren und materialbasierte Design-Regeln für stabile, hocheffiziente Tandemstrukturen abzuleiten.
Auf der Basis der Projektarbeiten kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende neue FuE-Leistungen anbieten:
- Computational Materials Screening für Photovoltaik-Materialien
Unternehmen aus der PV-Industrie können die am IWM entwickelten Simulationsmethoden nutzen, um neue Absorbermaterialien und Materialkombinationen virtuell schnell zu bewerten. - Atomistische Grenzflächenanalyse und -optimierung
Für Hersteller von Dünnschicht- und Tandemsolarzellen optimiert das Fraunhofer IWM Materialgrenzflächen. Damit lassen sich Degradationsmechanismen frühzeitig identifizieren und die Langzeitstabilität von Mehrschichtsystemen gezielt verbessern. - Multiskalen-Modellierung für funktionale Schichtsysteme
Die im Projekt erprobten Methoden zur Modellierung von Absorbermaterialien und Grenzflächen sind direkt übertragbar auf andere Anwendungsfelder, in denen die Eigenschaften von Dünnschicht- und Mehrlagensystemen optimiert werden müssen.