Photovoltaik: Die Tandemtechnologie wird immer zuverlässiger
Eine von 3Sun durchgeführte und kürzlich in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift „Advanced Science“ veröffentlichte Studie zeigt, wie die durch das Phänomen der umgekehrten Vorspannung bei Silizium-Perowskit-Technologien verursachten kritischen Punkte „umgangen“ werden können.
Wie kann man verhindern, dass das als ,reverse bias“ bekannte Phänomen die Silizium/Perowskit-Tandemzellen „unter Stress“ setzt? ‚Diese Fragen wurden von einigen unserer Kollegen des F&E-Teams in Zusammenarbeit mit dem CEA-Liten bei INES-Forschungszentrum beantwortet und in der renommierten Zeitschrift „Advanced Science“ unter dem Titel „Silicon/Perovskite Tandem Solar Cells with Reverse Bias Stability down to -40V“. Unveiling the Role of Electrical and Optical Design“ veröffentlicht.
Was war der Ausgangspunkt unserer Studie?
Der Ausgangspunkt ist die „umgekehrte Vorspannung“, die zu den Faktoren gehört, die die Effizienz und Integrität eines Solarmoduls beeinträchtigen können: Es genügt eine teilweise Verschattung der Anlage durch einen Baum, Schnee oder ein anderes Element, um die Solarzellen einem Stresszustand auszusetzen, der ihre Leistung dauerhaft gefährden kann. Dies kann besonders schwerwiegend für Systeme sein, die auf der Dünnschichttechnologie basieren, einschließlich Systemen der nächsten Generation wie Perowskit. Bei Systemen auf der Basis von kristallinem Silizium (einschließlich Heterojunction - HJT) wirkt sich die umgekehrte Vorspannung weniger stark aus, da sie sich durch besondere Maßnahmen wie die Integration von Bypass-Dioden in das Photovoltaikmodul besser an diesen Effekt anpassen können.
Zellen mit Tandemtechnologie, hohe Leistung und Widerstandsfähigkeit
3SUN, seit jeher führend in der Photovoltaik-Innovation, hat die Auswirkungen der umgekehrten Vorspannung auf seine sich derzeit in Entwicklung befindenden Silizium-Perowskit-Tandemzellen untersucht. Die äußerst vielversprechenden Ergebnisse, die vor kurzem in der Zeitschrift „Advanced Science““ veröffentlicht wurden, zeigen, wie die Tandem-Kopplung mit Silizium nicht nur einen Zellwirkungsgrad von über 30 % ermöglicht, sondern auch das Perowskit vor den unerwünschten Auswirkungen des Reverse bias schützt.
Einer der Protagonisten der Forschung, unser Kollege Diego Di Girolamo, Advanced R&D Specialist bei 3SUN, sagt dazu: „Dank dieser Studien haben wir die Reaktion von Tandemzellen auf umgekehrte Vorspannung untersucht und verstanden, wie Silizium dazu beitragen kann, dass das Perowskit nicht beeinflusst wird. Gleichzeitig konnten wir dank der Forschung verstehen, wie wir einige Schlüsselaspekte der Tandemtechnologie am besten gestalten können, damit die Zelle so effizient wie möglich geschützt wird.
Giuliana Giuliano und Diego Di Girolamo aus unserem Forschungs- und Entwicklungsteam waren an der in „Advance Science“ veröffentlichten Studie beteiligt.
Was passiert mit der Solarzelle bei Teilverschattung?
„Die Studie“, so Di Girolamo weiter, „ist das Ergebnis von Arbeiten zur Analyse der Stabilität und Zuverlässigkeit der Silizium-Perowskit-Tandemtechnologie bei umgekehrter Vorspannung. Dies ist ein zentrales Thema in der Photovoltaik und generell für jede Art von Technologie, insbesondere für die innovativsten Technologien, zu denen eben auch die Tandemtechnologie gehört. Die Arbeit befasst sich insbesondere mit der Frage, was passiert, wenn Solarzellen einer Teilverschattung ausgesetzt sind, die dazu führt, dass einige Zellen Energie produzieren, andere nicht, und somit die produzierte Energie tendenziell abgeleitet wird.
Aber was passiert eigentlich mit dem Modul, wenn es teilweise verschattet wird? „Man muss bedenken, dass ein Photovoltaikmodul normalerweise aus vielen in Reihe geschalteten Solarzellen besteht. Das bedeutet, dass durch alle Zellen der gleiche Strom fließen muss. Wenn jedoch eine Zelle nicht dem Sonnenlicht ausgesetzt ist und keine Energie produzieren kann, wird sie die von den anderen „beleuchteten“ Zellen produzierte Energie ableiten, sich selbst aufheizen und negative Potenziale zurückgeben“, betont Di Girolamo und fährt fort: „Dies führt zu thermischem und elektrischem Stress, der den Wirkungsgrad der Solarzelle dauerhaft beeinträchtigen kann, was insbesondere für Dünnschichttechnologien wie Photovoltaikmodule relevant ist, die ausschließlich Perowskit als aktives Material verwenden“.
3SUN: die Lösung für die Kritikalität der umgekehrten Vorspannung (Reverse bias)
Dies ist kein geringes Problem, denn es kann das gesamte System destabilisieren. Wie unser Kollege erklärt: Perowskit ist ein relativ neues Material, über das man weniger weiß als über Silizium, und das zu einer gewissen Degradation neigt, wenn es einer umgekehrten Vorspannung ausgesetzt wird. Dank unserer Forschungen konnten wir jedoch herausfinden, wie Silizium es schützen kann und welche Aspekte zu berücksichtigen sind, um diesen Schutz zu maximieren. Wir verfügen nämlich über die Leitlinien für die Entwicklung einer Tandemzelle, die gegen die Belastungen einer teilweisen Verschattung stabil ist. Unsere Studie wird es uns auch ermöglichen, Protokolle für die Bewertung der Zuverlässigkeit von Tandemzellen in Bezug auf die umgekehrte Vorspannung zu erstellen, die vollständiger sind und die tatsächlichen Degradationsmechanismen besser beschreiben: Ein sehr wichtiger Punkt, da es sich um eine innovative Technologie handelt“.
Das zentrale Ergebnis ist die Erkenntnis, dass es durch die Kopplung von Perowskit mit Silizium möglich ist, die konventionellen Strategien, die bei Silizium eingesetzt werden, auch für Tandemzellen zu verwenden, wobei Perowskit und Leistungen durch die Nutzung von Bypass-Dioden erhalten bleiben. „Grundsätzlich“, so Di Girolamo abschließend, „haben wir festgestellt, dass die Solarzelle, wenn sie richtig konstruiert ist, ihren ursprünglichen Wirkungsgrad vollständig beibehält, selbst wenn man die Tandemzelle für eine höhere als die normale Stundenzahl bei einem extrem belastenden, aber unter Betriebsbedingungen plausiblen Wert wie -40 V betreibt“.