Fraunhofer-Leitprojekt »MaNiTU«

Um den Klimawandel erfolgreich zu bekämpfen, ist ein Umbau des heutigen Energiesystems und ein massiver Ausbau der Photovoltaik (PV) notwendig. Viele Studien zeigen, dass die Photovoltaik zur wichtigsten Energietechnologie weltweit aufsteigen wird. Für Europa und Deutschland ist es daher zentral, in diesem Technologiefeld aktiv zu sein und den gigantischen Markt mit neuen disruptiven Innovationen zu bedienen. Die aktuell dominierende Siliciumsolarzellentechnologie beruht erheblich auf Innovationen aus Europa, Japan und den USA. Entsprechend ist der europäische Anlagenbau und die Materialbereitstellung für die Siliciumtechnologie nach wie vor global bedeutsam. Andererseits werden Siliciumsolarzellen zuletzt hauptsächlich in Asien gefertigt. Allerdings wird die weitere technologische Entwicklung der Siliziumsolarzelle in den nächsten Jahren an ihre physikalische Grenze stoßen. Damit ergibt sich für Deutschland durch die Entwicklung neuer und innovativer Technologien die Chance, neben Forschung, Anlagenbau und Materialbereitstellung auch wieder bei der Produktion der Solarzellen eine internationale Spitzenstellung zu erreichen.

Hier setzt das Leitprojekt MaNiTU an: Durch die Entwicklung nachhaltiger, höchsteffizienter und kostengünstiger Tandemsolarzellen auf Basis von Perowskit-Absorbermaterialien in Kombination mit Silicium, eröffnet MaNiTU eine herausragende Perspektive für eine erfolgreiche europäische produzierende PV-Industrie:

• Reduktion flächenabhängiger Kosten und Senkung der Stromgestehungskosten
• Erschließen eines breites Anwendungsfeldes von klassischen PV-Anlagen bis hin zu integrierten Anwendungen an Gebäuden oder in Fahrzeugen 
• Reduktion des Ressourcenverbrauchs und den damit verbundenen erheblichen Stoffströmen eines globalen PV-Marktes im Terawatt (TW)-Maßstab. 
• Vermeidung kritischer Materialien und Reclyclingkonzepte. 

Die aufstrebende Perowskitsolarzellen-Technologie entwickelt sich seit 2009 in der Forschung rasant mit einem Wirkungsgradanstieg von 3,8 % auf heute über 25%. Ausgehend von bekannten Perowskitabsorbern werden deshalb in MaNiTU mit modernsten materialwissenschaftlichen Methoden neue Absorber sowie darauf abgestimmte Kontakt- und Passivierungsschichten für hocheffiziente Perowskit-basierte Tandemsolarzellen entwickelt. Von Anfang an wird die Material- und Prozessentwicklung durch umfassende Nachhaltshaltigkeitsbewertung analysiert und bewertet.

Der innovative Ansatz, theoretische Modellierung und experimentelle Arbeiten zu Absorber und Kontaktschichten eng zu verzahnen, ermöglicht es, Grenzflächeneffekte zu verstehen und gezielt für gewünschte Funktionalitäten einzusetzen. Am Ende des Projektes werden Stabilität und hohe Wirkungsgrade auf Modulebene demonstriert, sowie die dafür notwendigen Materialkombinationen und Fertigungsprozesse durch Patente gesichert sein. Darüber hinaus wird ein wesentlicher Wissenszuwachs hinsichtlich der Absorbermaterialien und Grenzflächeneffekte erwartet. Die entwickelten Materialien und Prozesse, sowie die gewonnenen Erkenntnisse sind zusätzlich auch für andere optoelektronische Bauteile und Anwendungen relevant.

MaNiTU generiert so einen Innovationsvorsprung für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau sowie für Materialien herstellende Unternehmen. MaNiTU bündelt für diese Ziele das weltweit einzigartige Kompetenz-Portfolio der Fraunhofer-Gesellschaft, das theoretische und experimentelle Materialwissenschaft, sowie technologische, wirtschaftliche und ökologische Expertisen zu Solarzellen umfasst. Keine andere Wissenschaftsorganisation kann derartige Kompetenzen für die Bekämpfung des Klimawandels, die Sicherung der technologischen Unabhängigkeit der Energieversorgung und für die Nutzung solch enormer Marktchancen einsetzen.

Weiterentwicklung nachhaltiger Absorbermaterialien

Die Erfolge der Perowskitsolarzellen-Technologie haben gezeigt, dass es möglich ist, gänzlich neue Materialsysteme zu finden, welche die technologische Entwicklung der Photovoltaik auch langfristig weiter voranbringen können. Die gegenwärtigen Perowskitmaterialien sollten daher nicht als Endpunkt der Absorberentwicklung betrachtet werden. Stattdessen gilt es, die Entwicklung zielgerichtet weiterzuführen, um schließlich ein Absorbermaterial zur Verfügung zu haben, das langzeitstabil, kostengünstig und mit guter Umweltbilanz aus auch im TW-Maßstab verfügbaren Materialien hergestellt werden kann.

Wirkungsgradsteigerung und gleichzeitige Kostensenkung mit Hilfe von Tandemsolarzellen

Darüber hinaus sollte die Entwicklung auf die Realisierung von Tandemsolarzellen ausgerichtet sein. In Tandemsolarzellen ermöglichen speziell angepasste Materialien, dass die unterschiedlichen Spektralbereiche des Sonnenlichts in jeweils dafür optimierten Solarzellen genutzt werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Solarzelle deutlich gesteigert. Da der größte Teil der Kosten eines Photovoltaiksystems mit der Fläche skaliert, bedeutet eine solche Wirkungsgradsteigerung einen starken Hebel für niedrigere Stromgestehungskosten. Darüber hinaus wird die Ressourceneffizienz, insbesondere der Material- und Flächenverbrauch, durch höhere Wirkungsgrade entscheidend verbessert. 

Mit Wirkungsgraden im Labormaßstab von über 26,6 % und einer jährlichen Steigerung des Wirkungsgrades um 0,5 %abs in der industriellen Produktion ist die physikalische Barriere bei der Siliciumtechnologie von 29,4 % schon sehr nahe. Im Gegensatz dazu versprechen siliciumbasierte Tandemsolarzellen Wirkungsgrade von über 35 % und ermöglichen gleichzeitig eine Weiternutzung des bestehenden Know-Hows und von Produktionsanlagen der Siliziumtechnologie. Mittelfristig kann auch die Silizium-Unterzelle durch ein neues Absorbermaterial ersetzt werden, so dass eine durchgängig kostengünstige Dünnschichtproduktion möglich wird. Das Projekt MaNiTU zielt darauf, die dafür notwendigen Materialsysteme zu finden und zu entwickeln.

Versorgungssicherheit und Wettbewerbsfähigkeit

Durch den Fokus auf noch unbekannte Materialien besteht im Bereich der Tandemsolarzellen die Möglichkeit einen wesentlichen Know-How und IP-Vorsprung zu generieren. MaNiTU legt so die Grundlage dafür, Deutschlands Spitzenstellung in der Tandemtechnologie auszubauen, neue Wertschöpfungsketten in Deutschland aufzubauen und neue Märkte zu erschließen. Aufgrund des enormen globalen Marktes besteht zusätzlich auch ein hohes Exportpotenzial. Angesichts der Bedeutung der Photovoltaik für die deutsche und europäische Energieversorgung ist der Aufbau einer einheimischen europäischen PV-Industrie gleichzeitig ein wesentlicher Beitrag zur Versorgungssicherheit und zur Sicherstellung einer langfristigen Wettbewerbs- und Innovationsfähigkeit.

Umwelt- und Klimaverträglichkeit

Der Fokus auf die Realisierung von höchsteffizienten Solarzellen unter Einbeziehung der Umwelt- und Klimabilanz verwendeter Materialien ermöglicht eine nachhaltige technologische Entwicklung. Auch die frühere Betrachtung von Recyclingkonzepten der neuentwickelten Tandemsolarzellen im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft werden erarbeitet. MaNiTU leistet deshalb einen Beitrag zu allen drei Dimensionen des energiepolitischen Zieldreiecks. Darüber hinaus sind für die zu entwickelnden Materialien, die entsprechenden Produktionstechnologien und Erkenntnisse im Bereich der Materialwissenschaft und der Grenzflächeneigenschaften relevante Verwertungsmöglichkeiten auch außerhalb der Anwendungen in Tandemsolarzellen zu erwarten.