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Rekord für Perowskit-CIGS-Tandem-Solarmodul
Prototyp eines Tandem-Dünnschicht-Solarmoduls aus Perowskit und CIGS erreicht Wirkungsgrad von 17,8 Prozent. Erstmals Effizienz höher als bei Einzel-Solarmodulen dieser Materialien.
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 ZSW, des KIT und des belgischen Forschungsinstitutes imec haben am 27. September auf der internationalen Konferenz PSCO in Genua ein Tandem-Solarmodul aus Perowskit- und CIGS-Dünnschichten vorgestellt, dessen Effizienz von 17,8 Prozent erstmals die Effizienz von Einzel-Solarmodulen aus diesen Materialien übertrifft.
„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. Dr. Michael Powalla, Vorstandsmitglied und Leiter des Geschäftsbereichs Photovoltaik am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und Leiter der Abteilung Dünnschichtphotovoltaik am KIT, 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 besonders effizient den hochenergetischen Anteil des Sonnenspektrums, während die untere CIGS-(Kupfer-Indium-Gallium-Selenid)-Schicht eher die infraroten Anteile umwandelt. Insgesamt erzielt der Prototyp eine Energieumwandlungseffizienz von 17,8 Prozent. Zum Vergleich: Der Weltrekord für Perowskit-Module liegt derzeit bei 15,3 Prozent und das Referenz CIGS-Solarmodul bei 15,7 Prozent.
Zusätzlich zeichnet sich der vorgestellte Prototyp durch eine industrietaugliche und skalierbare Bauelementarchitektur aus. Der Prototyp ist rund 3,76 Quadratzentimeter 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 Prozent.
„Dieses hervorragende Resultat ist das Ergebnis einer engen und extrem fruchtbaren 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 Prozent 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.
Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 230 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Hinzu kommen 90 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte.
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) verbindet seine drei Kernaufgaben Forschung, Lehre und Innovation zu einer Mission. Mit rund 9.300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie 25.000 Studierenden ist das KIT eine der großen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas.
Imec ist eine führende Forschungsorganisation für die Nanoelektronik. Imec stützt sich auf eigene wissenschaftliche Ergebnisse und auf die innovativen Ressourcen seiner globalen Partner in den Bereichen ICT, Medizintechnik und Energie. Imec liefert industrierelevante Technologie-Lösungen. Internationale Spitzenforscher erarbeiten Hightech-Bausteine für bessere Lebensbedingungen in einer nachhaltig geprägten Gesellschaft. Der Hauptsitz von Imec ist Leuven, Belgien, Außenstellen liegen in den Niederlanden, Taiwan, den USA, China und Japan. Imec beschäftigt weltweit circa 2.500 Mitarbeiter, beherbergt rund 740 Gastwissenschaftler und hat ein Budget von 415 Millionen Euro. Imec ist Mitglied von Solliance (solliance.eu) und Energyville (energyville.be).
Ansprechpartner Pressearbeit
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Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Industriestr. 6,
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claudia.brusdeylins@zsw-bw.de, www.zsw-bw.de
Kosta Schinarakis, Karlsruher Institut für Technologie,
Kaiserstraße 12, 76131 Karlsruhe, Tel.: +49 (0)721 608-41956,
Fax: +49 (0)721 608-43658, schinarakis@kit.edu, www.kit.edu
Hanne Degans, imec, Kapeldreef 75, 3001 Heverlee, Belgium,
Tel.: +32 (0)16 28 17 69, Mobile: +32 (0)486 06 51 75,
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Tel.: +49 (0)761 380968-23, Fax: +49 (0)761 380968-11,
vartmann@solar-consulting.de, www.solar-consulting.de[:en]Scientists from Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (Centre for Solar Energy and Hydrogen Research, ZSW), Karlsruhe Institute of Technology (KIT) and imec (partner in Solliance and EnergyVille) have fabricated a thin-film solar module stack made up of perovskite and Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) with a conversion efficiency of 17.8 percent. For the first time, this tandem module surpasses the highest efficiencies of separate perovskite and CIGS modules.
The stacked module (3.76cm2) implements a fully scalable device concept: both the perovskite top module and the CIGS bottom module feature a monolithic interconnection scheme, using seven and four module cell stripes respectively. The result is a reduction of area loss of less than eight percent for both technologies.
The consortium’s process for creating this efficient perovskite/CIGS multi-junction solar module relies upon efficient exploitation of the solar spectrum. The higher energy part of the spectrum is harvested in the semitransparent perovskite module on top, while the light with lower energy passes and is harvested in the bottom CIGS cell. As a result, the prototype shows an unprecedented power conversion of 17.8 percent, which outperforms the world-record upscaled perovskite module of 15.3 percent efficiency presented by imec, and also the highly-efficient stand-alone upscaled CIGS module of ZSW with efficiencies nearing 15.7 percent.
“This result was achieved through close and intricate collaboration leveraging the expertise of the three partners. Imec’s expertise in perovskite technology was underscored by the use of a perovskite top module in these stacked solar modules,” stated Dr. Tom Aernouts, head of thin-film PV research at imec.
According to Dr. Ulrich Paetzold, head of the research group at KIT, this result is just a starting point, with more exciting results to come in the next years such as perovskite/CIGS multi-junction solar modules surpassing efficiencies of 25%. The Helmholtz Young Investigator group of Dr. Paetzold is focusing on the optics in multi-junction perovskite solar modules and will develop further specialized nanophotonic materials for these devices.
Finally, ZSW contributed with its world class expertise in CIGS solar modules. ZSW holds the current world record for CIGS solar cells at 22.6%. Prof. Dr. Michael Powalla, member of the board and head of the Photovoltaics Division at ZSW, points out: “This success is an elegant way of combining the advantages of two highly advanced thin-film technologies. It will contribute greatly to ever more costefficient solar power for the customer.”
The module and technical details were presented to the research community at the PSCO-2016 in Genova, Sept. 27 by Dr. Tom Aernouts, imec; Dr. Ulrich Paetzold, KIT; and Dr. Erik Ahlswede, ZSW.
The Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (Centre for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Württemberg, ZSW) is one of the leading institutes for applied research in the areas of photovoltaics, renewable fuels, battery technology, fuel cells and energy system analysis. There are currently around 230 scientists, engineers and technicians employed at ZSW’s three locations in Stuttgart, Ulm and Widderstall. In addition, there are 90 research and student assistants.
Karlsruhe Institute of Technology (KIT) pools its three core tasks of research, higher education, and innovation in a mission. With about 9,300 employees and 25,000 students, KIT is one of the big institutions of research and higher education in natural sciences and engineering in Europe.
Imec performs world-leading research in nanoelectronics and photovoltaics. Imec leverages its scientific knowledge with the innovative power of its global partnerships in ICT, healthcare and energy. Imec delivers industry-relevant technology solutions. In a unique high-tech environment, its international top talent is committed to providing the building blocks for a better life in a sustainable society. Imec is headquartered in Leuven, Belgium, and has offices in Belgium, the Netherlands, Taiwan, USA, China, India and Japan. Its staff of about 2,500 people includes about 740 industrial residents and guest researchers. In 2015, imec’s revenue (P&L) totaled 415 million euro.
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Claudia Brusdeylins, Zentrum für Sonnenenergie- und
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