Im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes Pepperoni will Qcells, Anbieter von Energielösungen an seinem deutschen Hauptsitz in Thalheim gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin eine Fertigungslinie für Perowskit-Silizium-Solarzellen aufbauen.
Das Ziel von Pepperoni ist es, die Hindernisse für die Markteinführung der Tandem-Solartechnologie zu identifizieren, zu überwinden und schließlich die Grundlagen für neue Produktionskapazitäten in Europa zu schaffen. So soll es Europa dabei unterstützen, bis 2050 klimaneutral zu werden.
Eine Pilotlinie, die diese Entwicklung ermöglicht, wird am europäischen Hauptsitz von Qcells in Thalheim, Deutschland, errichtet. Das Projekt startete am 1. November 2022 mit der langfristigen Vision, Europa eine industrielle Führungsrolle bei der PV-Produktion auf dem Weltmarkt zu ermöglichen.
Saubere Energie für Europa
Die EU strebt die Klimaneutralität bis 2050 in einem Szenario an, in dem erneuerbare Energien eine zentrale Rolle spielen. Gegenwärtig ist der Energiesektor für mehr als 75 % der Treibhausgas-Emissionen in der EU verantwortlich. Das Programm für Forschung und Innovation (F&I), Horizon Europe, das bis 2027 läuft und mit 95,5 Milliarden € ausgestattet ist, ist zentrale Maßnahme der Europäischen Kommission, um den Klimawandel zu bekämpfen und die Energiewende hin zu erneuerbaren Energien zu beschleunigen.
F&I sind entscheidend für die Bereitstellung von Lösungen und die notwendige Systemtransformation. Auf europäischer Ebene ist es dringend notwendig, die Effizienz der gesamten Wertschöpfungskette für erneuerbare Energien zu steigern und dabei Nachhaltigkeit zu integrieren.
Darüber hinaus will die EU angesichts der neuen geopolitischen und Energiemarkt-bezogenen Gegebenheiten den Übergang zu sauberer Energie drastisch beschleunigen, indem die Energieunabhängigkeit Europas erhöht und die Abhängigkeit des Kontinents von unzuverlässigen Lieferanten und volatilen fossilen Brennstoffen verringert wird.
Pepperoni ist dabei ein neues F&I-Projekt, das von der EU im Rahmen von Horizon Europe co-finanziert und vom Schweizer Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI) unterstützt wird.
Nutzung von Solartechnologien für die europäische Produktion
Pepperoni will eine Pilotlinie zur Entwicklung von Solarmodulen mit Perowskit/Silizium-Tandemtechnologie aufbauen. Die Finanzierung beläuft sich auf rund 14,5 Mio. € über vier Jahre, wobei das Konsortium der beteiligten Partner die gesamte Wertschöpfungskette der PV-Innovation abdeckt.
Die bisher am weitesten verbreiteten Solarzellentechnologien werden mit Silizium hergestellt, und die Silizium-PV ist heute eine in vielen Teilen der Welt verbreitete und günstige Möglichkeit der Stromerzeugung. Der Erfolg der Solarindustrie in den letzten Jahren hat die Branche an die derzeitigen praktischen Grenzen des Wirkungsgrads der Siliziumtechnologie gebracht. Um über die Grenzen der Ein-Material-Zellen hinauszugehen, haben Wissenschaftler vorgeschlagen, eine komplementäre Solarzelle hinzuzufügen, um sogenannte „Tandem“-Solarzellen zu bilden.
Pepperoni hat sich für eine Technologie entschieden, die laut eigenen Angaben das beste Verhältnis zwischen Leistung und Herstellungskosten verspricht: das Silizium-Perowskit-Tandem. Perowskit, ein neuartiges Material mit einer speziellen Kristallstruktur, kann demnach so eingestellt werden, dass es die Teile des Sonnenspektrums ausnutzt, die typische Silizium-PV-Materialien nicht effizient nutzen können.
Daher eignet sich Perowskit nach Aussage des Projekts besonders gut als Hybrid-Tandempartner. Pepperoni will also industrielle Siliziumzellen mit einer Perowskit-Topzelle „aufpeppen“. Dieses Tandemdesign würde demzufolge vom industriellen Know-how der Silizium-Photovoltaik profitieren und den Bereich der erreichbaren Leistungswandlungseffizienz (Power Conversion Efficiency/PCE) über die praktischen Grenzen von Silizium hinaus erweitern.
Pilotlinie in Thalheim
Die Erhöhung des PCE von Solarzellen sei aus zwei Gründen wichtig. Zum einen wäre dies langfristig der effektivste Weg, um die Stromgestehungskosten (Levelised Cost of Electricity/LCOE) zu senken. Kurzfristig stelle sie die beste Art dar, die Photovoltaik für Anwendungen zu fördern, bei denen der Platz begrenzt ist, z. B. auf Dächern, an Fassaden oder in Fahrzeugen.
Im Rahmen von Pepperoni wird am europäischen Hauptsitz von Qcells in Thalheim, Deutschland, eine Pilotlinie für Tandemzellen in Industriequalität eingerichtet, die innovative Anlagen, Prozesse und Materialien zur Herstellung von hocheffizienten Tandemzellen und -modulen umfassen soll.
Fabian Fertig, Director Global R&D Wafer & Cells bei Qcells: „Qcells ist stolz darauf, Teil des Pepperoni-Konsortiums mit seinen Weltklasse-Technologiepartnern zu sein. Diese Forschung verspricht, neue Wege bei der Weiterentwicklung der Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen- und Modultechnologie zu beschreiten. In einer Zeit, in der das bestehende Energiesystem einem noch nie dagewesenen Druck ausgesetzt ist, ist es sehr spannend, diesen ersten und transformativen Schritt in Richtung einer industriellen Fertigung der PV-Technologie der nächsten Generation in Europa zu realisieren.“
Q.antum-Technologie
Der Ansatz von Pepperoni ist, einen Typ von Silizium-Bottomzellen zu verwenden, der auf einer Technologie basiert, die weltweit bereits im Gigawatt-Maßstab produziert wird: die Q.antum-Technologie. Sie wurde 2012 vom Projektpartner Qcells, der die Technologie-Entwicklung leitet, erstmals vorgestellt.
Im Rahmen seiner geschützten Q.antum-Technologie hat Qcells bereits mehrere Innovationen bis zur Serienreife entwickelt und erfolgreich in die Großserienproduktion überführt. Beispiele hierfür sind die Einführung der PERC-ähnlichen (passivated emitter and rear cell, dt.: passivierte Emitter- und Rückseitenzelle) Solarzellentechnologie sowie die Halbzellen-, drahtbasierte Verschaltung und die Zero-Gap-Solarmodultechnologie.
Vor kurzem hat Qcells seine Q.antum-Technologie durch die Entwicklung einer passivierenden Kontakttechnologie (Q.antum Neo) erweitert, um die Effizienz von Solarzellen und -modulen weiter zu steigern. Die Anwendung der gleichen bewährten Produktanforderungen bei der Pepperoni-Tandemtechnologie ist eine entscheidende Aufgabe des Projekts.
Solarenergie zugänglich machen
Das einander ergänzende Konsortium von Pepperoni will die Herausforderungen angehen, die derzeit den Einsatz von Tandem-Solarzellen behindern. Zu den wichtigsten Zielen des Projekts gehören dabei die Minimierung der Skalierungsverluste, die Entwicklung von Verfahren und Anlagen für die Dünnschichtabscheidung sowie die Beseitigung von Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Auch soll eine robuste und wettbewerbsfähige europäische Innovationsbasis sowie eine entsprechende PV-Lieferkette geschaffen werden.
Die Abscheidung einer Perowskit-Topzelle auf Silizium-Bottomzellen in nur wenigen zusätzlichen Prozessschritten verspricht nicht nur höhere Modul-Wirkungsgrade, sondern würde auch eine kosteneffiziente Produktionssteigerung ermöglichen, die auf dem umfassenden Branchen-Know-how und den niedrigen Kosten der Silizium-Photovoltaik aufbaut, um eine rasche Einführung dieser neuen Tandemtechnologie gewährleistet.
Bernd Stannowski, Leiter der Gruppe Industriekompatible Prozesse, Solarzellen und -module am HZB, fügte hinzu: „Am HZB haben wir die Tandemtechnologie im Labormaßstab auf Weltrekord-Wirkungsgradniveau entwickelt. Wir freuen uns nun darauf, im Pepperoni-Konsortium mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammenzuarbeiten, um diese neue und vielversprechende Technologie gemeinsam zu skalieren und in die Industrie zu übertragen.“