Perovskiet-silicium tandemtechnologie naar industriële volwassenheid brengen

De PeroLabs natchemie en vacuümprocesstechnologie omvatten geavanceerde infrastructuur voor het afzetten van dunne films met behulp van spleetdüsen- en rotatiecoating, verdampingskamers voor perovskietabsorbers, selectieve contacten en metalen, evenals atomaallagenafzetting van metalen oxiden onder inertgasatmosfeer. © Fraunhofer ISE / Verwerking van perovskiet-silicium tandemzonnecellen bij Fraunhofer ISE. De laboratoriuminfrastructuur bestaat uit verdampingskamers voor perovskietabsorbers, selectieve contacten en metalen, en de atomaallagenafzetting van metalen oxiden onder een inertgasatmosfeer. © Fraunhofer ISE

Het aanbrengen van een tweede zonnecel uit perovskiet op klassieke silicium-zonnecellen maakt het mogelijk om het zonnespectrum nog beter te benutten. Wereldwijd doen wetenschappers onderzoek naar het betrouwbaar, duurzaam en met industriële productieprocessen realiseren van deze tandemzonnecellen. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ontwikkelden tussen 2020 en 2022 samen met industriële partners in het samenwerkingsproject »SWiTch« technologieën voor de productie van perovskiet-silicium full-format modules. Op celniveau slaagde het team van het Fraunhofer-leidproject »MaNiTU« en het door het Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK geförderde project »PrEsto« erin om perovskiet-silicium tandemzonnecellen van laboratorium- naar waferformaat te schalen. In een recent aangekondigde samenwerking met Meyer Burger zal het Fraunhofer ISE zijn activiteiten op het gebied van tandemzonnecellen en -modules verder intensiveren.

Perovskiet-silicium tandemzonnecellen vormen een verdere ontwikkeling van de gevestigde, silicium wafer-gebaseerde standaardtechnologie. Een perovskiet-zonnecel met een grote bandgap wordt hierbij op de silicium-zonnecel verwerkt om het zonlicht beter te benutten. »Met hen zijn efficiënties van meer dan 35 procent mogelijk«, zegt Prof. Dr. Andreas Bett, directeur van het Fraunhofer ISE. »Perovskiet-silicium tandemzonnecellen op laboratoriumschaal hebben al de fysieke limiet van enkelvoudige siliciumzonnecellen van 29,4 procent overschreden, en kunnen zo in de toekomst nog efficiëntere zonnecellen maken.«

Opschaling van laboratoriumcellen naar waferformaat

Op laboratoriumschaal ligt de momenteel beste gepubliceerde efficiëntie op 31,3 procent. Echter, de oppervlakken van dergelijke laboratorium-zonnecellen zijn nog klein – ongeveer 1 vierkante centimeter – en de meeste van de tot nu toe in het laboratorium gebruikte fabricageprocessen zijn niet geschikt voor industriële productie. »We zijn daarom erg blij dat het ons is gelukt om op een oppervlakte van meer dan 100 vierkante centimeter en met industriële zeefdrukmetallisatie een gecertificeerde efficiëntie van 22,5 procent te behalen. Nu is het voor ons de uitdaging om ook met schaalbare methoden op grote oppervlakken de hoge efficiënties van onze kleine laboratoriumcellen te realiseren«, zegt Dr. Patricia Schulze, wetenschapper in het project »MaNiTU« bij het Fraunhofer ISE. De onderzoekers werken vooral intensief aan een hybride depositieproces dat twee gevestigde fabricageprocessen combineert voor de productie van perovskiet-zonnecellen op dubbelzijdig getextureerde silicium-zonnecellen.

Eerste full-format modules gebouwd

In het samenwerkingsproject »SwiTch« ontwikkelde het Fraunhofer ISE samen met de projectpartners schakeling- en encapsulatielösungen voor tandemzonnecellen. »De schakeling- en lamineringsprocessen moesten zo worden begrepen en aangepast dat de perovskiet-silicium-zonnecellen zonder schade, kosteneffectief en langdurig stabiel in het module konden worden geïntegreerd«, zegt Dr. Holger Neuhaus, afdelingshoofd voor fotovoltaïsche modules bij het Fraunhofer ISE. Zo konden al eerste prototypes met een vermogen van 430 wattpiek worden geproduceerd. De ontwikkeling werd ondersteund door een gedetailleerde analyse van de verliesmechanismen van cel naar module en werkzaamheden aan de langetermijnstabiliteit van de tandemmodules. In het kader van het samenwerkingsproject »SALTO« kon het Fraunhofer ISE de SWCT-schakeletechnologie van Meyer Burger voor full-format modules bij het Fraunhofer ISE introduceren. Deze laagtemperatuurtechnologie is geschikt voor de schakeling van silicium-perovskiet-zonnecellen in vergelijking met conventionele soldeerprocessen.