Deutschland bald wieder Marktführer in der PV-Industrie?

Herausforderungen bei der Entwicklung.

Perowskit ist empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und UV-Strahlung, was die Langzeitstabilität der Module beeinträchtigen kann. Forscher mussten spezielle Schutzschichten entwickeln, um die Haltbarkeit zu verbessern. Die Integration von Perowskit in bestehende Silizium-Solarzellen erforderte die Entwicklung neuer Fertigungstechniken, die sowohl kosteneffizient als auch massenproduktionstauglich sind. Einige Perowskit-Materialien enthalten Blei, was Umweltbedenken aufwirft. Es wird intensiv daran gearbeitet, bleifreie Alternativen zu entwickeln. Die Abstimmung der Bandlücken von Perowskit und Silizium war entscheidend, um die maximale Energieausbeute zu erzielen. Dies erforderte umfangreiche Forschung und Optimierung.

Die Forscher entwickelten Niedertemperatur-Prozesse für die Verschaltung und Einkapselung der Solarzellen, um die empfindliche Perowskit-Schicht zu schützen. Die Herstellungstechnologien wurden optimiert, sodass sie mit bestehenden Produktionslinien kompatibel sind. Dies erleichtert die Skalierung und Integration in die industrielle Fertigung.

Vorteile von Tandem-Modulen mit einer Perowskit-Schicht.

Durch die Kombination der bewährten Siliziumtechnologie mit der innovativen Perowskit-Schicht ergeben sich zahlreiche Vorteile, die nicht nur Effizienz und Wirtschaftlichkeit, sondern auch neue Anwendungspotenziale eröffnen. Der wohl grösste Vorteil liegt in der gesteigerten Energieausbeute. Während ein einzelnes Silizium-Solarmodul in der Regel an seine Effizienzgrenzen stösst, nutzt das Tandem-Prinzip beide Materialien optimal aus: Die Perowskit-Schicht absorbiert vorwiegend Lichtanteile im kurzwelligen Spektrum, während das Silizium die längerwelligen Anteile effizient einfängt. Dadurch können theoretisch Wirkungsgrade von über 43 % erzielt werden – und in erster industrieller Massenfertigung wurden bereits Module mit einem Rekordwirkungsgrad von etwa 25 % demonstriert. 

Perowskit aus Magnet Cove, Arkansas.

Bild © Wikipedia

Herstellungskosten senken.

Ein weiterer Vorteil der Tandem-Module besteht in ihrem Potenzial, die Herstellungskosten zu senken. Perowskite sind im Vergleich zu rekombinanten, hochreinen Siliziummassen kostengünstiger und lassen sich mit Niedertemperatur-Prozessen auftragen. Die bewährte Technologie der Siliziumproduktion wird so ergänzt, ohne dass grundlegende Änderungen an den Produktionslinien erforderlich sind. Dies erleichtert den Übergang von der Labortechnologie in den industriellen Massstab erheblich.

Breiteres Anwendungsspektrum und nachhaltige Innovation.

Die Kombination aus Perowskit und Silizium eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten – von klassischen Dach- und Freiflächenanlagen bis hin zu Building Integrated Photovoltaics (BIPV). Hier können die Module direkt in die Gebäudehülle integriert werden, was insbesondere in urbanen Regionen wichtig ist, in denen Platzmangel herrscht. Die hohe Effizienz der Tandem-Module ermöglicht es, aus vergleichsweise kleinen Flächen mehr Strom zu gewinnen, was einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende leisten kann. 

Zukunftsperspektiven und technologische Führungsrolle.

Die Zusammenarbeit zwischen Oxford PV Germany GmbH und dem Fraunhofer ISE zeigt, dass interdisziplinäre Forschung und gezielte Investitionen in innovative Technologien langfristig zu Durchbrüchen in der Solarenergie führen können. Diese Tandem-Module sind nicht nur ein Beweis für den technischen Fortschritt, sondern auch ein vielversprechender Schritt in Richtung nachhaltiger Energiegewinnung – mit einem klaren Potenzial, den Markt und die Energielandschaft grundlegend zu verändern.

Wirkungsgrad von Tandem-Modulen mit einer Perowskit-Schicht.

Perowskit-Silizium-Tandemzellen haben ein theoretisches Wirkungsgradpotenzial von über 43 %, was deutlich über den maximalen Wirkungsgraden von Silizium-Solarzellen liegt. In Laborumgebungen wurden bereits Wirkungsgrade von mehr als 33 % für Tandemzellen erreicht.

Rekord im industriellen Format.

Ein vollformatiges Tandem-PV-Modul, das auf einer Fläche von 1,68 Quadratmetern aufgebaut ist, erreicht einen Modulwirkungsgrad von 25 % und liefert rund 421 Watt. Dieser Wert wird auf der sogenannten „designated illuminated area“ gemessen, was bedeutet, dass hier ausschliesslich die tatsächlich beleuchtete Fläche berücksichtigt wird. Damit ist dieses Modul derzeit das effizienteste Silizium-Perowskit-Tandemmodul im industriellen Format, das jemals hergestellt wurde.

Herstellung von Tandem-Modulen.

Die empfindliche Perowskit-Schicht – der Schlüssel zur erweiterten Lichtnutzung – muss vor hitzebedingten Beschädigungen und Feuchtigkeitseinflüssen geschützt werden. Die Eigenschaften der Perowskit-Schicht werden so abgestimmt, dass sie das kurzwellige Lichtspektrum effizient absorbiert, während das klassische Silizium die längerwelligen Anteile einfängt. Das Zellenlayout wird so entworfen, dass beide Schichten minimalen elektrischen und optischen Verlust aufweisen. Da die Perowskit-Schicht temperaturempfindlich ist, mussten spezielle Depositionstechniken entwickelt werden. Moderne Verfahren zur Abscheidung von Dünnfilmen, etwa mittels Schlitzdüsen- und Rotationsbeschichtung, ermöglichen eine gleichmässige Auftragung der Perowskit-Absorberschicht. Um die hitzeempfindliche Schicht zu schützen, werden alle Beschichtungs- und Anschlussprozesse bei niedrigen Temperaturen durchgeführt – ein entscheidender Fortschritt, der die Integration in bestehende Produktionslinien gewährleistet.

Nach dem Aufbringen der Perowskit-Schicht erfolgt die Verbindung mit der traditionellen Silizium-Solarzellen-Technologie. Mit Hilfe von Anlagen wie dem Module-TEC des Fraunhofer ISE werden die Tandem-Zellen in ein industrielles Format gebracht. Wegen der Empfindlichkeit der Perowskit-Schicht wurden spezielle, mechanisch schonende und temperaturkontrollierte Prozesse entwickelt. Diese gewährleisten neben der hohen Effizienz auch die nötige Langlebigkeit der Module. Dadurch wird sichergestellt, dass die neu entwickelten Tandem-Module nicht nur im Labor, sondern auch in der industriellen Massenfertigung zuverlässig produziert werden können

Der finale Modulzusammenbau führt die einzelnen, geprüften Zellen zu einem vollformatigen Photovoltaik-Modul zusammen. Der richtige Schutz der empfindlichen Perowskit-Schicht vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und UV-Strahlung hat höchste Priorität. Umfangreiche Prüfverfahren stellen sicher, dass die Module den industriellen Standards entsprechen. Hierbei werden elektrische, optische und mechanische Eigenschaften regelmässig kontrolliert.

Technische Daten.

Modulfläche und Leistung.

Das vollformatige Tandem-PV-Modul misst 1,68 Quadratmeter und erreicht eine Leistung von 421 Watt. Diese Werte werden auf der sogenannten „designated illuminated area“ gemessen, also der tatsächlich beleuchteten Fläche, was einen realistischen Vergleich mit anderen industriellen Modulen ermöglicht.

Modulwirkungsgrad.

Das aktuell hergestellte Modul weist einen Modulwirkungsgrad von 25 % auf – ein Rekordwert im industriellen Format für Silizium-Perowskit-Tandemmodule. Diese Zahl spiegelt nicht nur die effiziente Nutzung des Sonnenlichts wider, sondern auch die Optimierung der Fertigungsprozesse in der industriellen Umgebung.

Zellformat und Effizienz.

Die Tandem-Solarzellen im sogenannten M6-Format, die von Oxford PV in Kleinserie gefertigt werden, erzielen eine Zellwirkungsgrade von bis zu 26,8 %. In Laborumgebungen wurden darüber hinaus Werte von mehr als 33 % erreicht. Das zeigt das enorme Potenzial der Technologie, obwohl im realen, voll integrierten Modul aufgrund von Serienfertigungsbedingungen aktuell ein etwas geringerer Wert realisiert wird.

Investoren von Tandem-Modulen der Oxford PV Germany GmbH und Frauenhofer ISE.

Neben den technischen Innovationen spielt die Finanzierung solcher Projekte eine zentrale Rolle – und hier zeigt sich ein interessantes Zusammenspiel aus öffentlicher Förderung und privatem Kapital.

Öffentliche Förderung und Forschungsgelder.

Das Fraunhofer ISE ist Teil der Fraunhofer-Gesellschaft, die in Deutschland und Europa massgeblich durch staatliche Förderprogramme unterstützt wird. Forschungsprojekte wie die Entwicklung neuartiger Tandem-PV-Module profitieren von Finanzierung aus Bundesministerien (zum Beispiel dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) und EU-Initiativen (etwa im Rahmen von Horizon‑2020 und seinen Nachfolgeprogrammen). Diese Fördermittel sichern nicht nur die Grundlagenforschung, sondern helfen auch dabei, den Übergang vom Labor zur industriellen Serienproduktion zu meistern.

Privates Kapital und strategische Industriepartnerschaften.

Oxford PV, als innovatives Spin-off der University of Oxford, hat in mehreren Finanzierungsrunden das Vertrauen von privaten Investoren gewonnen. Obwohl die Presseverlautbarungen zu den technisch-basierten Durchbrüchen selten tiefer ins Detail gehen, ist bekannt, dass das Unternehmen von Venture-Capital-Firmen und strategischen Industriepartnern unterstützt wird, die an das enorme Marktpotenzial der Perowskit-Silizium-Tandemtechnologie glauben. Diese Investitionen ermöglichen es Oxford PV, die Fertigungsprozesse zu optimieren und die kommerzielle Produktion voranzutreiben.

Kooperation als Erfolgsfaktor.

Die Kombination aus öffentlicher Förderung und privatem Risikokapital schafft ein robustes finanzielles Fundament, das die Weiterentwicklung und Markteinführung dieser innovativen Solarmodule ermöglicht. Erfolgreiche Partnerschaften zwischen Forschungseinrichtungen und innovativen Unternehmen sind dabei oft der Schlüsselfaktor, der den Sprung von der Laborentwicklung in einen marktreifen, industriell hergestellten Prototypen unterstützt.

Neue Anwendungen mit Tandem-Modulen.

Building-Integrated Photovoltaics wie Fassaden, Dächer oder sogar Fensterelement.

Die hohe Leistungsdichte der Tandem-Module ermöglicht es, bereits auf begrenzten Flächen wie Fassaden, Dächern oder sogar Fensterelementen mehr Strom zu erzeugen. Hier können die Module nicht nur als Energieerzeuger dienen, sondern auch architektonisch integriert werden. Dies ist besonders in urbanen Gebieten interessant, wo verfügbare Flächen kostbar sind und gleichzeitig ästhetische Ansprüche an die Bauweise gestellt werden.

Rooftop- und Industriedachanlagen.

Da Tandem-Module dank ihrer Effizienz pro Quadratmeter eine höhere Energieausbeute liefern, eignen sie sich ideal für den Einsatz auf bestehenden Dächern von Wohn- und Geschäftshäusern. Selbst bei begrenzter Fläche kann so ein wesentlicher Beitrag zur dezentralen Energieversorgung geleistet werden, was langfristig auch Betriebskosten senkt und die Energiewende unterstützt.

Grossflächige Solarkraftwerke und Freiflächenanlagen.

In grossflächigen Freiflächenanlagen könnten Tandem-Module aufgrund ihres verbesserten Wirkungsgrades den Flächenverbrauch reduzieren oder alternativ die Stromproduktion steigern. Hier fliesst die Kombination aus verbesserten Materialeigenschaften und optimierten Fertigungsprozessen direkt in eine höhere Systemeffizienz ein, was insbesondere bei der Massenproduktion von Vorteil ist.

Spezielle Nischenanwendungen und innovative Konzepte.

Ein weiterer spannender Ansatz ist die Einbindung in Anwendungen, bei denen Flexibilität und geringes Gewicht eine Rolle spielen – etwa in der Entwicklung von roll-to-roll-Prozessen oder portablen Photovoltaik-Lösungen. Auch im Bereich der Agrophotovoltaik, wo landwirtschaftliche Flächen doppelt genutzt werden könnten, eröffnen sich durch die hohe Effizienz der Tandem-Module neue Möglichkeiten, um sowohl Nahrungsmittel zu erzeugen als auch erneuerbare Energie zu produzieren.

Welches sind die künftigen Märkte von Tandem-Modulen mit einer Perowskit-Schicht?

Gebäudeintegrierte Lösungen.

Die hohe Leistungsdichte der Tandem-Module macht sie ideal für die Integration in Gebäudehüllen. Insbesondere in urbanen Ballungszentren, wo die verfügbare Dach- und Fassadenfläche begrenzt ist, kann die Kombination aus ästhetischem Design und hoher Energieausbeute einen echten Wettbewerbsvorteil bieten. Hier werden die Module nicht nur zur Stromerzeugung genutzt, sondern tragen auch zur architektonischen Innovation bei.

Dach- und Freiflächenanlagen.

Unternehmen und Privathaushalte, die ihre Dächer für die dezentrale Energieversorgung nutzen möchten, profitieren von der erhöhten Flächeneffizienz. Auch bei grossflächigen Freiflächenanlagen bieten diese Tandem-Module, bedingt durch ihren höheren Wirkungsgrad, die Möglichkeit, den erzeugbaren Strom zu maximieren – ein entscheidender Faktor, wenn der Platz begrenzt oder teuer ist.

Industrielle Anwendungen und Gewerbeparks.

Industrieanlagen und Gewerbeparks, die einen kontinuierlichen und zuverlässigen Strombedarf haben, können von der verbesserten Energieausbeute und der langfristigen Stabilität dieser Module profitieren. Die hohe Effizienz senkt zudem den Flächenverbrauch, was gerade in industriellen Situationen, in denen Kapital- und Betriebskosten optimiert werden müssen, von grosser Bedeutung ist.

Agrophotovoltaik.

Ein innovatives Marktsegment, das in den kommenden Jahren an Bedeutung gewinnen könnte, ist die Agrophotovoltaik. Hier werden landwirtschaftliche Flächen sowohl zur Nahrungsmittelproduktion als auch zur Energiegewinnung genutzt. Die Tandem-Module ermöglichen es, aus begrenzten Flächen mehr Strom zu gewinnen, ohne dabei die landwirtschaftliche Nutzung zu beeinträchtigen.

Off-Grid- und Mikronetze.

In Regionen, in denen das zentrale Stromnetz weniger zuverlässig ist – etwa in ländlichen oder entlegenen Gebieten – bieten hocheffiziente Module die Chance, unabhängige Energielösungen zu realisieren. Auch in Notfall- oder Katastrophenszenarien können solche Systeme als mobile oder modulare Lösungen für den schnellen Wiederaufbau von Infrastrukturen dienen.

Ganz neue Märkte.

Da die Tandem-Technologie immer weiter optimiert und in bestehende, massenfertigungskompatible Produktionslinien integriert wird, eröffnen sich weitere Chancen im internationalen Wettbewerb. Besonders in Ländern mit hoher Sonneneinstrahlung und steigendem Energiebedarf wird die Nachfrage nach effizienten, platzsparenden Photovoltaiksystemen rasant wachsen. So könnten auch Märkte in Schwellenländern und Entwicklungsregionen, die ihre Energiesouveränität stärken möchten, von der Technologie profitieren. Die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten der Tandem-Module mit Perowskit-Schicht zeigen, dass ihre Zukunft weit über klassische Solaranlagen hinausgeht. Von der städtischen Architektur über grosse Gewerbeanlagen bis hin zu spezialisierten Anwendungen wie Agrophotovoltaik und Off-Grid-Systemen – die Technologie bietet das Potenzial, unterschiedliche Marktsegmente nachhaltig zu revolutionieren. Durch laufende Optimierungen und die geplante Massenfertigung in industriellen Umgebungen dürfte diese innovative Lösung in den kommenden Jahren zu einem wichtigen Baustein der globalen Energiewende avancieren.

Dabei richtet sich diese Technologie an unterschiedliche Käufergruppen, die jeweils spezifische Ansprüche und Märkte bedienen.

Utility-Scale-Entwickler und Solarparkbetreiber.

Aufgrund des hohen Wirkungsgradpotenzials und der daraus resultierenden höheren Energieausbeute pro Quadratmeter sprechen die Tandem-Module besonders Grossabnehmer im Bereich der Grossanlagen an. Betreiber von grossflächigen Solarkraftwerken profitieren von einer optimaleren Flächennutzung, besonders in Regionen, in denen verfügbare Flächen knapp oder teuer sind. Durch den Einsatz hocheffizienter Module können sie den Levelized Cost of Energy (LCOE) senken und so langfristig wirtschaftlicher agieren.

EPC-Unternehmen und Systemintegratoren.

Engineering, Procurement & Construction-Unternehmen sind häufig auf der Suche nach innovativen Technologien, um ihren Kunden wirtschaftliche und zukunftssichere Lösungen anzubieten. Systemintegratoren, die komplette Photovoltaiksysteme planen und installieren, schätzen Module, die bereits eine hohe Leistung und Zuverlässigkeit bieten.Die Tatsache, dass die Tandem-Module in bestehende Fertigungslinien integriert werden können, erleichtert diese Unternehmen den Umstieg von herkömmlichen Siliziummodulen auf die neue Technologie.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik, Anbieter und urbane Bauträger.

Der Markt für Building-Integrated Photovoltaics gewinnt stetig an Bedeutung, vor allem in urbanen Gebieten, in denen Dächer und Fassaden doppelt genutzt werden. Architekten und Bauträger, die Wert auf energieeffiziente und zugleich optisch ansprechende Fassadenlösungen legen, können von den kompakten und leistungsstarken Tandem-Modulen profitieren. Bei Building-Integrated Photovoltaics-Projekten ist guter Ertrag bei begrenzter Fläche entscheidend – genau hier setzen die Module ihre Stärken aus.

Spezialisierte Nischenmärkte.

Es gibt weitere, teils spezialisierte Käufersegmente, die ebenfalls Interesse an der neuen Technologie zeigen könnten:

Agrophotovoltaik.

Betreiber von Anlagen, die landwirtschaftliche Flächen und Energieerzeugung kombinieren, können von den hohen Leistungsdichten profitieren, um den Energieertrag auf begrenzter Fläche zu maximieren.

Off-Grid- und Mikronetzbetreiber.

In ländlichen oder entlegenen Regionen, in denen das zentrale Netz weniger zuverlässig ist, bieten hocheffiziente Module die Chance, autarke Energielösungen zu realisieren.

Disclaimer / Abgrenzung

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