Verbundprojekt "Photovoltaik der nächsten Generation"

Technologien der Photovoltaik (PV) auf der Grundlage von kristallinem Si (c-Si) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) sind vermutlich nur ein erster Schritt hin zur Nutzung der Solarenergie als eine Hauptstromquelle, da sie hochenergetische Photonen nicht effizient umwandeln. Ein höherer Strom-Output kann erreicht werden, indem eine Tandemzelle verwendet wird, deren obere Zelle eine höhere Bandlücke aufweist. Die Kosten für die Systemkonfiguration (Balance of System – BOS) dominieren die Preise für Strom aus PV und eine steigende Effizienz reduziert diese Preise direkt. Solarzellen mit Perowskit-Absorber sind wahrscheinlich die idealen Topzellen dank ihrer hohen Leistungsfähigkeit als Einfachzellen, der variierbaren Bandlücke, ihrem Potenzial für niedrige Kosten und den flexiblen Herstellungsbedingungen. Solche Tandemzellen können einen Wirkungsgrad von 27 bis 30 % erreichen (> 5 Prozentpunkte mehr als der gegenwärtig erreichbare Wirkungsgrad von c-Si- und CIGS-Zellen), was die Schweiz bei der Nutzung gut ausgerichteter Dächer und Fassaden längerfristig mit zusätzlich 13 bis14 TWh/Jahr PV-Elektrizität versorgen könnte.

Das Hauptziel dieses Projekts war die Entwicklung der nächsten Generation hocheffizienter Photovoltaik-Technologien. Das Projekt umfasste die Synthese neuartiger Materialien, deren Integration in hocheffiziente Einfach- und Tandem-Solarzellen mit c-Si und CIGS, die Entwicklung von Konzepten für Solarfassaden, Netzmanagement-Strategien sowie die Analyse der Lebenszyklen und der gesellschaftlichen Akzeptanz dieser neuen Technologien. Übergeordnetes Ziel war dabei die Entwicklung technologischer Bausteine, die zur Umsetzung der Energiestrategie 2050 beitragen.

Durch die Kombination fortgeschrittener Methoden zur Simulation und Beschreibung mit Dünnschicht-Verfahren konnte das Projektteam Perowskit-, c-Si- sowie CIGS-Einfachzellen mit verbesserten optoelektronischen Eigenschaften entwickeln. Durch deren Integration in Tandemzellen gelang es den Projektpartnern, weltweit unerreichte Wirkungsgrade zu erzielen, namentlich mit der ersten Perowskit/c-Si-Tandemzelle, bei der die Frontseite mit einer Oberfläche für ein optimales Lichtmanagement versehen ist, oder mit flexiblen 4-Terminal-Tandemzellen auf Perowskit/CIGS-Dünnschichtbasis. Parallel dazu leistete das Projekt einen Beitrag zur Verbesserung der Akzeptanz von PV-Anlagen, insbesondere durch die Arbeit an Strategien, die auf eine optimale Raumnutzung zielen, durch die Verbesserung der Wirkungsgrade und durch die Förderung der ästhetischen Integration in Gebäude.

Bedeutung für die Forschung

Die aus dem Projekt hervorgegangenen wissenschaftlichen Konzepte hatten einen grossen Einfluss auf die globale Forschungsgemeinschaft. Davon zeugen zahlreiche Einladungen zur Präsentation der Forschungsergebnisse an internationalen wissenschaftlichen Konferenzen sowie die Zahl der aus dem Projekt hervorgegangenen Publikationen.

Bedeutung für die Praxis

Am Anfang des Projekts stand die Idee hocheffizienter Perowskit/c-Si- und Perowskit/CIGS-Tandemzellen; am Ende des Projekts kann das Projekt voll funktionsfähige Systeme, die gegenüber Einfachzellen eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads zeigen, vorweisen. Diese Ergebnisse sind ein wertvoller Input für industrielle Unternehmen, die ihre c-Si- oder CIGS-Prozesslinien mit einer Perowskit-Topzelle erweitern möchten. Obwohl es noch zahlreiche Hürden zu überwinden gilt, verfügen hocheffiziente Perowskit-basierte Solarzellen über ein grosses industrielles Potenzial, wie dies die Gründung verschiedener Unternehmen zeigt, die sich mit dieser Technologie befassen. Die im Rahmen dieses Projekts entwickelten Fassadenelemente haben auch weitreichende praktische Auswirkungen, da sie Strukturelementen eine zusätzliche Funktion verleihen.

PV2050: Novel PV technologies for optimum space usage and efficient electricity production

Zu diesem Verbund gehören folgende sechs Forschungsprojekte

PV2050: Novel materials and interfaces for advanced photovoltaic devices

• Prof. Frank Nüesch, Departement Moderne Materialien, ihre Oberfläche und Grenzflächen, EMPA Dübendorf; Prof. Christophe Ballif, Prof. Michael Grätzel, Prof. Ayodhya Tiwari

PV2050: Building blocks for Next Generation Multi-Junction Solar Cells

• Prof. Christophe Ballif, Institut de Microtechnique, EPFL Neuchâtel; Prof. Michael Gätzel, Prof. Ayodhya Tiwari

PV2050: Novel Generation Perovskite Devices

• Prof. Michael Grätzel, Laboratoire de photonique et interfaces, EPF Lausanne; Dr. Jun-Ho Yum, Prof. Ullrich Steiner

PV2050: Photovoltaics into the built environment: from semi-transparent PV glazing to high efficiency roof integrated solutions

• Dr. Laure-Emmanuelle Perret-Aebi, Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA, Neuchâtel; Prof. Emmanuel Rey

PV2050: Simulation and characterization: from cells to systems

• Dr. Matthias Schmid, Institute for Computational Physics, ZHAW Winterthur; Dr. Mohammed Zakeeruddin Shaik, Prof. Christophe Ballif, Prof. Ayodhya Tiwari

PV2050: Sustainability, market deployment and interaction to the grid – the impacts of advanced photovoltaic solutions

• Prof. Bettina Furrer, Institut für Nachhaltige Entwicklung, ZHAW Winterthur; Prof. Martina Hirayama-Bumm