Beschleunigter Transfer der nächsten Generation von Solarzellen in die Massenfertigung - Zukunftstechnologie Tandem‐Solarzellen (Zeitenwende)

Zirkuläres Recycling für einen nachhaltigen Rohstoff-Kreislauf

Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen stehen besonderen Herausforderungen beim zirkulären Recycling gegenüber. Einerseits müssen statt einer Solarzellentechnologie gleich zwei Technologien recycelt werden. Andererseits beinhalten hocheffiziente Perowskit-Solarzellen Blei in einer löslichen Form. Heutige Modul-Architekturen lösen diese Herausforderungen durch einen „Design für die Ewigkeit“-Ansatz. Hierbei werden Module so weit als möglich monolithisch integriert. Diese monolithische Integration führt dazu, dass die Materialien nicht mehr auf ökonomisch oder energetisch sinnvolle Weise voneinander getrennt werden können. Das aktuelle Recyclingverfahren besteht in der Folge darin, Module zu schreddern und Polymerkomponenten zu verbrennen. Dieser Ansatz ermöglich zwar eine Recyclingquote von über 95%, jedoch ist dieses Recycling nicht zirkulär: Ein Großteil der wiedergewonnenen Materialien kann nur zu minderwertigen Zwecken verwendet werden und steht dem Rohstoff-Kreislauf nicht zur Verfügung.

Das HI ERN bringt an dieser Stelle seine Expertise im Bereich der Materialwissenschaft ein. Ziel im Projektteil „Cradle-to-Cradle Zirkularität“ ist es, das Design von Solarzellen grundlegend zu verändern: Weg von einem Design für die Ewigkeit hin zu einem „Design für Recycling“. Dabei sollen die Grundsätze des „green engineering“ zukünftig die Basis bilden, um Solarzellen mit verbesserten zirkulären Recyclingeigenschaften zu kreieren.

Hierbei verfolgen die Solarexpert:innen des HI ERN insbesondere die folgenden Ansätze:

Verbesserung der Separation des Schichtstapels: Die Grenzflächen aller funktionalen Schichten des Tandems sollen so gestaltet werden, dass sie mit hoher Effizienz chemisch und mechanisch voneinander getrennt werden können. Hierbei sollen etwa verschiedene Löslichkeit und verschiedene mechanische Eigenschaften der Materialein auszunutzen. Nach Möglichkeit sollen dabei Lösungsmittel zum Einsatz kommen, die direkt in der Solarzellenproduktion verwendet werden können.
Verbesserung der Aufreinigung der verwendeten Materialien im Perowskit-Stapel: Nach der Separation liegen in den wiedergewonnenen Materialien elementare sowie Phasenverunreinigungen vor. Es sollen Aufreinigungsprozesse entwickelt werden, die zeitlich und energetisch effizient funktionieren.
Nachweis eines vollständigen Kreislaufs für Blei: Blei ist durch seine Toxizität das problematischste Element in Perowskit-Solarzellen. Im Projekt sollen Prozesse entwickelt werden, die es erlauben möglichst 100% des vorliegenden Bleis aus der Solarzelle zurückzugewinnen. Zusätzlich sollen Ansätze untersucht werden, um eventuell nicht zurückgewinnbares Blei in eine nicht-lösbare Form zu überführen.

Projekthintergrund

Um die Souveränität in der Energieversorgung zu stärken und gleichzeitig das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, ist ein massiver Ausbau von Photovoltaik und Windenergie notwendig. Dies wird auch im Rahmen der aktuellen strategisch‐politischen Ziele der Bundesregierung und der Europäischen Union mit Nachdruck vorangetrieben.

Der erforderliche Ausbau der Photovoltaik kann nur mit einer neuen Generation der Photovoltaik gelingen: Die innovative Tandemtechnologie bietet mit einem Wirkungsgrad von über 30% und wettbewerbsfähigen Kosten das Potenzial, die Solarenergie effizienter und kostengünstiger zu machen. Diese Technologie muss in den nächsten 5 Jahren zur Marktreife entwickelt werden, um eine klimaneutrale Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen.

Im Projekt “Zeitenwende“ arbeiten das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), das Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN), Teil des Forschungszentrum Jülich, und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) daran, die bestehenden Siliziumzellen-Prozesse für die optimale und effektive Tandemintegration anzupassen. Des Weiteren sollen industriell skalierbare Abscheideprozesse für hocheffiziente und großflächige Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen entwickelt werden. Die Stabilität von großflächigen Tandemsolarzellen wird ebenfalls untersucht. Zudem soll die Analytik ausgebaut werden, um ein besseres und beschleunigtes Verständnis der Solarzell-Eigenschaften zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung von Tandemsolarzellen mit verbesserten zirkulären Recyclingeigenschaften. Koordiniert wird das Projekt vom HZB.

Projektpartner

Koordiniert vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) arbeiten das Forschungszentrum Jülich (FZJ) und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eng mit Partnern aus der Industrie zusammen.