Fraunhofer-Leitprojekt »MaNiTU«

Über das Projekt

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 Siliziumsolarzellentechnologie beruht erheblich auf Innovationen aus Europa, Japan und den USA. Entsprechend ist der europäische Anlagenbau und die Materialbereitstellung für die Siliziumtechnologie nach wie vor global bedeutsam. Andererseits werden Siliziumsolarzellen 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 neuer Absorbermaterialien, 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. 
  • Konsequente Vermeidung kritischer bzw. giftiger Materialien. 

Blei ist z.B. problematisch für die aufstrebende Perowskittechnologie, die innerhalb der letzten 10 Jahre beeindruckend den Wirkungs­grad von 3,8 % auf 24,2 % steigerte. Ausgehend von bekannten Perowskitabsorbern werden deshalb in MaNiTU mit modernsten materialwissenschaftlichen Methoden neue Absorber sowie darauf abgestimmte Kontakt- und Passivierungsschichten entwickelt, wobei kritische und giftige Stoffe von Anfang an ausgeschlossen werden.
Der innovative Ansatz, Absorber und Kontaktschichten zusammen zu behandeln, ermöglicht es, Grenzflächeneffekte 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 Kompetenz­portfolio 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.

Motivation

Weiterentwicklung nachhaltiger Absorbermaterialien

Die Erfolge der Perowskittechnologie haben gezeigt, dass es möglich ist, gänzlich neue Materialsysteme zu finden, welche die technologische Entwicklung der Photovoltaik auch langfristig weiter voranbringen können. Deshalb sollten die gegenwärtigen bleihaltigen Perowskitmaterialien nicht als Endpunkt der Absorberentwicklung betrachtet werden. Stattdessen gilt es, die Entwicklung zielgerichtet weiterzuführen, um schließlich ein Absorbermaterial zur Verfügung zu haben, das ungiftig, 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 Siliziumtechnologie von 29,4 % schon sehr nahe. Im Gegensatz dazu versprechen siliziumbasierte 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.

Ziele

MaNiTU-Zieldreieck
© Fraunhofer
Durch die Entwicklung von neuen Materialien für höchsteffiziente nachhaltige Tandemsolarzellen leistet MaNiTU einen Beitrag zur Erreichung aller drei Dimensionen des energiepolitischen Zieldreiecks.

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 und der Austausch kritischer Materialien steigert außerdem die Nachhaltigkeit. 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.