Von der Tandem-Rekordzelle zur Ertragsanalyse

Neuartige Photovoltaik-Technologien

Mit 33,3 % Wirkungsgrad wurde am Fraunhofer ISE mit einer III-V-auf-Silicium-Tandemsolarzelle ein eindrucksvoller Rekord für Silicium-basierte Mehrfachsolarzellen erzielt. Doch wie verhält sich eine solche Zelle auf Modulebene? Und welchen Ertrag liefern Module mit Mehrfachsolarzellen im Vergleich zu Einfachsolarzellen, wenn ein komplettes Jahr und die Sonneneinstrahlung eines konkreten Standorts berücksichtigt werden? Diese Fragen sind auch für die aufstrebenden Perowskit-auf-Silicium-Tandemsolarzellen von höchster Bedeutung.

REM-Aufnahme
© Fraunhofer ISE

REM-Aufnahme einer Perowskitschicht – konformal abgeschieden auf einer Zufallspyramiden-Oberfläche eines monokristallinen Siliciumwafers.

In einem simulationsbasierten Ansatz zur Beantwortung dieser Fragen wurden die beiden am Fraunhofer ISE entwickelten Tools »OPTOS« und »YieldOpt« miteinander verknüpft. Mit »OPTOS« können Tandemsolarzellen mit einer beliebigen Anzahl von Schichten und unterschiedlichen Oberflächenstrukturen auf Zell- und Modulebene effizient optisch modelliert werden. Wichtige Entscheidungen bezüglich der Auswahl von Materialien oder Strukturparametern können bereits auf dieser Basis getroffen und optimiert werden. Die mit »OPTOS« berechnete spektral aufgelöste Absorption ist zudem ein wichtiger Baustein für die weiterführende Analyse mit »YieldOpt«. Dieses Tool verknüpft die Simulation der elektrischen Leistung der Solarzelle mit dem einfallenden solaren Spektrum, das durch Messungen oder Simulationen bestimmt wird. So können unterschiedliche Solarzellenkonzepte unter realistischen Bedingungen modelliert sowie deren Ertrag im Feld abgeschätzt und verglichen werden. 

Die bisherigen Modellierungen haben zu drei wichtigen Erkenntnissen geführt. So hat die Optimierung der Rückseitenstrukturen großes Potenzial, die Rekordeffizienz für III-V-auf-Silicium-Tandemsolarzellen weiter zu steigern. Zudem reduzieren Vorderseitentexturen für Perowskit-auf-Silicium- andemsolarzellen die Reflexionsverluste auf Zell- und Modulebene deutlich – eine Bestätigung, den eingeschlagenen Weg aufgedampfter Perowskitschichten zur Anwendung auf texturierten Siliciumzellen weiter zu verfolgen. Darüber hinaus können sowohl III-V-auf-Silicium-, als auch Perowskitauf- Silicium-Tandemsolarzellen den Ertrag für verschiedene Standorte und Einstrahlungsbedingungen gegenüber Einfach-Siliciumsolarzellen deutlich steigern.

Schema Perowskit-Silicium-Solarzelle
© Fraunhofer ISE

Schematische Darstellung einer verkapselten Perowskit- Silicium-Solarzelle.

Relative Leistung einer Perowskit-Silicium-Tandemsolarzelle
© Fraunhofer ISE

Relative Leistung einer verkapselten Perowskit-Silicium- Tandemsolarzelle im Vergleich zu einer reinen Siliciumzelle über ein Jahr, dargestellt für verschiedene Tageszeiten.