Als sich die Staats- und Regierungschefs der Welt in Glasgow versammelten, um über die Klimapolitik zu diskutieren, gab es zwangsläufig eine ständige Diskussion über die Energiewende hin zu nachhaltigen erneuerbaren Energiequellen.
Solarzellen sind zweifelsohne ein Teil der Antwort. Wie unten dargestellt, hat die Photovoltaiktechnologie große Fortschritte bei der Senkung der Kosten und der Ausweitung der weltweiten Produktionskapazität gemacht. Tatsächlich sind Solarzellen heute in vielen Regionen der Welt auch ohne Subventionen wirtschaftlich rentabel. Auch die Zahl der Installationen nimmt jedes Jahr rapide zu, da Solarzellen zu einem wichtigen Bestandteil des globalen Energiemixes werden.
Die Solartechnologie der Wahl ist heute natürlich Silizium auf Waferbasis. Wie unten dargestellt, hat sich diese Technologie seit langem durchgesetzt und schränkt den Raum für andere Lösungen wie Dünnschichtsolarzellen ein. Angesichts dieser Dominanz stellt sich die wichtige Frage, ob Silizium für immer seine derzeitige Pole-Position behalten wird oder ob andere technologische Optionen aufkommen werden, um Silizium zu ergänzen und/oder zu verdrängen.
In den meisten Technologiebereichen finden viele Technologieübergänge statt. Diese Übergänge brauen sich jahrzehntelang im Hintergrund zusammen, oft mit düsteren Aussichten, aber schließlich werden sie erwachsen und verdrängen die alte Garde. Es gibt keinen grundsätzlichen Grund anzunehmen, dass es in der Solartechnologie anders sein wird, zumal Silizium in seiner jetzigen Form ausgereift zu sein scheint und seine Leistungsgrenzen erreicht hat.
Andererseits hat sich Silizium im Bereich der Elektronik als äußerst widerstandsfähig erwiesen. Es sorgt immer wieder für Überraschungen und Fortschritte. Aber auch in diesem Bereich spielen viele Nicht-Silizium-Halbleiter inzwischen eine wichtige Rolle, zum Beispiel in der Hochfrequenz- oder Hochleistungselektronik. Trotz der unvorstellbaren Menge an Entwicklungszeit und Kapital, die bisher in die Siliziumelektronik geflossen sind, bleibt die Frage offen, ob Silizium allein den Fahrplan für die Zukunft aufrechterhalten kann, so dass ein offener Raum für Alternativen wie 2D-Materialien bleibt.
Bei TechBlick haben wir eine Live-Konferenz (online) organisiert, die sich mit der Zukunft der Photovoltaik-Technologien beschäftigt. Auf dieser Konferenz werden wir alle wichtigen Trends bei der Entwicklung neuer Photovoltaiktechnologien untersuchen. Dabei betrachten wir Perowskit-, organische, CIGS- sowie Hybrid-/Tandem-Solarzellen. Wir untersuchen aufkommende Produktionsmethoden, wobei wir die neuesten Entwicklungen im Bereich des Druckens sowie R2R-Verfahren auf Basis von Lösungen oder Verdampfung berücksichtigen.
Auf dieser LIVE-Online-Konferenz werden Sie von den wichtigsten Akteuren hören, die diese Technologien vorantreiben, darunter CubicPV, Armor, Heliatek, 3M, Epishine, Flisom AG, National Research Council Canda, VTT, Saule Technologies, Sunew, ITRI, Dracula Technologies, Brite Solar, Solaire, Lightricity, Brite Solar Evolar AB, Ubiquitous Energy, Lusoco, KIT, DuPont, Faunhofer IAP, Swansea University, QDSolar, Solaires, Brilliant Matters, usw.
In diesem Artikel liefern wir Ihnen detaillierte Hintergrundinformationen über den Stand und die Trends dieser Solartechnologien für Außen- und Innenanwendungen. Dies wird dazu beitragen, die Bedeutung der Themen dieser Konferenz in den richtigen Kontext zu stellen. Hier werden organische PV, Perowskit-PV und Techniken wie R2R-Verfahren, Tintenstrahldruck usw. erörtert.
Quelle: Daten aus Grafiken des Fraunhofer ISE, angepasst von TechBlick. Links: jährliche weltweite Produktion. Links: Anteil der Dünnschicht-PV-Technologien. Der Rest des Marktanteils entfällt auf Si.
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Perowskite: die erfolgreiche Technologie der Zukunft?
Seit Jahrzehnten ist die Rede von der dritten Generation der Photovoltaik. Die beiden wichtigsten untersuchten Solarzellentechnologien waren organische Stoffe und farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC), aus denen später die sich am schnellsten verbessernde PV-Technologie hervorging: die Perowskit-Photovoltaik.
Das nachstehende Schaubild zeigt die Entwicklung verschiedener Nicht-Silizium-Photovoltaiktechnologien auf der Ebene der Meisterzellen. Alle roten Linien beziehen sich auf Perowskit-PVs, entweder als Einzelzellen oder in Tandemform.
Seit sie um 2014 auf den Markt kamen, haben sie einen unglaublich schnellen EQE-Verbesserungstrend gezeigt. Interessant ist, dass dieser Trend noch nicht abgeschlossen ist, insbesondere bei Tandemversionen (Perowskit/CIGS oder Perowskit/Si). Die unten dargestellte steile Kurve hat Perowskite zum Liebling der Industrie und der Investoren weltweit gemacht. Einige Jahre lang haben sie auch den OPVs das Rampenlicht gestohlen.
Auf der Live-(Online-)Konferenz von TechBlick werden Sie von vielen wichtigen Akteuren hören, die die Kunst und die Technologie in diesem Bereich auf dem Weg zur Industrialisierung vorantreiben. Sie werden von CubicPV, Saule Technologies, Solaire, VTT, Brite Solar, Evolar und anderen hören.
Nehmen Sie bis zum 19. November an der TechBlick-Jahreskarte teil und profitieren Sie von einem Rabatt von 100 Euro (Coupon: Save100Euros an der Kasse einlösen). Mit diesem Pass können Sie von allen wichtigen Akteuren hören und diese treffen, die ein ganzes Spektrum von Fortschritten abdecken, von erstklassigen Effizienz- und Lebensdauereffekten über Fortschritte in Richtung R2R und Tintenstrahldruck von Perowskiten bis hin zu Fortschritten in der stabilen Formulierung von Perowskit-Tinten, zu schlüsselfertigen Dünnschichtlösungen und darüber hinaus.
Quelle: TechBlick. Angepasst von NREL-Daten.
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Trotz der raschen Verbesserungen auf Zellebene bestehen nach wie vor technologische Hindernisse für eine groß angelegte Kommerzialisierung. Eine Herausforderung besteht darin, dass der Übergang von kleinen Champion-Zellen zu größeren Zellen und Modulen mit einem starken Verlust an Effizienz einhergeht. Dies ist unten dargestellt. Diese Daten stammen aus dem Jahr 2020/2021, und es sind ständige Verbesserungen zu verzeichnen. Nichtsdestotrotz muss dieser Bereich noch in Angriff genommen werden. Auf dieser Konferenz werden Sie von Unternehmen wie CubicPV hören, die Rekordstabilitätsergebnisse vermelden und mehr als 1 Mrd. $ in den Scale-up investieren wollen.
Eine weitere Herausforderung ist die hohe Degradationsrate von Perowskit-Solarzellen, die ihre Lebensdauer einschränkt. Es gibt jedoch sowohl auf Zell- als auch auf Modulebene Verbesserungen, wie unten rechts zu sehen ist. Hier sehen Sie die Degradationsrate der PCE von Perowskit-PVs auf Zell- und Modulebene im Vergleich zu etablierten Technologien wie kristallinem Si, polykristallinem Si, CdTe, a-Si und CIGS. Interessanterweise schrumpft der Abstand zum akzeptablen kommerziellen Degradationsniveau im Allgemeinen, und es gibt auch spezifische Berichte, in denen dieser Abstand vollständig überbrückt wird. Auf der Konferenz werden führende Forscher wie die vom Karlsruher Institut für Technologie Passivierungstechnologien für Perowskit-Tandemzellen vorstellen.
Eine weitere Herausforderung ist natürlich das Vorhandensein von Blei in den leistungsstärksten Perowskit-PVs. Dies ist ein wichtiges Thema, auf das wir aus Platzgründen in diesem Artikel nicht weiter eingehen werden.
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Die Herstellung von Perowskiten, ob als Einzel- oder Tandemzellen, ist eine wichtige Frage. Die physikalische Abscheidung aus der Gasphase liefert derzeit die besten Ergebnisse. Die meisten Unternehmen, die Tandemzellen herstellen, verwenden diese Technik, da sie dank der besseren Kontrolle der Dünnschichteigenschaften stabilere Zellen ergibt.
Bei reinen Perowskit-Zellen könnte sich die Dünnschichttechnik als kostengünstiger erweisen als Silizium auf Waferbasis. Bei amorphem Silizium hat sich dies nicht bewahrheitet. Perowskite sind jedoch weitaus effizienter als a-Si und können daher die Kosten pro Watt halbieren, selbst bei gleichen Anlagenkosten und Produktionsparametern.
Bei Tandem-Perowskit-Zellen bieten Dünnschichtprozesse einen unmittelbaren Ansatz für die Kompatibilität mit bestehenden Siliziumlinien, so dass man Perowskit-Solarzellen nutzen kann, um den Wirkungsgrad der etablierten Siliziumzellen zu erhöhen. Ohne diese Booster-Technologie könnte Silizium die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit erreicht haben und dem Risiko einer technologischen Unterbrechung ausgesetzt sein. Daher können Perowskit-Dünnschichtzellen die Rettung der Silizium-Photovoltaik sein, wenn sie sich als stabil und ungiftig genug erweisen.
Um Größenordnungen zu erreichen, die über das hinausgehen, was die Wafertechnologie erreichen kann, entwickeln viele R2R-basierte Druckverfahren, die auf den Erkenntnissen der OPV-Entwicklung aufbauen. Hier zielen einige auf 1,5 m lange Bahnen ab, die mit (für diesen Sektor) unglaublichen 30 m/min Bahngeschwindigkeiten für vollständig abgewickelte R2R-Perowskit-PVs laufen. Die saubereren Grenzflächen zwischen den Schichten, verglichen mit der verwobenen Donor-Akzeptor-Morphologie von OPVs, könnten die Herstellung einfacher machen als OPVs, vorausgesetzt, es werden gute Perowskit-Tinten entwickelt.
Auf der Konferenz werden Sie von führenden Forschern hören, die an den Universitäten VTT und Swansea an der Verarbeitung von Lösungen und der R2R-Beschichtung von Perowskit-Photovoltaik arbeiten. Es handelt sich dabei um Überblicksvorträge, die den Stand der Technik umreißen und ein unvoreingenommenes Benchmarking bieten.
Gleichzeitig werden Sie von Unternehmen hören, die sich um die kommerzielle R2R-Produktion von Perowskit-PVs bemühen, oder von Start-ups, die neuartige Perowskit-Tinten entwickeln, wie Solaire Enterprises. Wir beleuchten auch die R2R-Produktion von Tandem-Quantenpunkt-Perowskit-Solarzellen durch Unternehmen wie QDSolar, ein neuartiger Ansatz im Anfangsstadium, der das Beste aus beiden aufkommenden Technologien kombinieren könnte.
Schließlich können Perowskit-Solarzellen auch im Tintenstrahldruckverfahren hergestellt werden. Dies hat den Vorteil der Designfreiheit und der Möglichkeit, Materialien zu integrieren. Sie werden von Saule Technologies hören, das die Produktion von Solarzellen aus dem Tintenstrahldruck (42.000 m² pro Jahr) mit einer starken Anwendungspipeline ausbaut, und von Brite Solar, das die Produktion von Solarzellen aus dem Tintenstrahldruck für größere Flächen ausbaut.
Links: EMCs Hochgeschwindigkeits-R2R-Solar-Pilotanlage mit flexographisch gedruckter transparenter leitfähiger Metallnetzschicht auf 100um Corning-Glas. Rechts: Mit Tintenstrahl gedruckte Perowskit-PVs von Saule Technology auf Glas und einige Beispiele für Innenanwendungen. Werden Sie Inhaber einer Jahreskarte, um diese Inhalte auf Abruf zu sehen.
Organische Fotovoltaik: Renaissance?
Wie aus dem Diagramm Effizienz vs. Jahr hervorgeht, kann die organische Photovoltaik bereits auf eine 20-jährige Entwicklungsgeschichte zurückblicken. Nach dem Konkurs von Konarka erlitt die Technologie einen Rückschlag, wodurch die kommerzielle und technologische Entwicklung ins Stocken geriet. Dies spiegelt sich in dem langsamen inkrementellen Wachstum der OPV-Effizienz zwischen 2011 und 2018 wider. Seitdem ist der Wirkungsgrad jedoch sprunghaft angestiegen und die OPV-Zellen haben einen zertifizierten Wirkungsgrad von über 18 % erreicht.
Die Materialentwicklungen und die Beherrschung der Kunst der Steuerung der Donor-Akzeptor-Morphologie im Nanomaßstab werden diesen Entwicklungstrend weiter vorantreiben. Insbesondere in den letzten Jahren hat der Übergang zu Nicht-Fulleren-Akzeptoren den Entwicklungstrend beflügelt und zu immer höheren Wirkungsgraden geführt.
Alle Arten von Materialentwicklungen gehen nun zügig weiter und prägen die Zukunft der OPV-Technologie. Auf der TechBlick-Live(online)-Konferenz am 1. und 2. Dezember werden Vertreter von Brilliant Matters, Phillips 66, Solaire und anderen über die Entwicklung von organischen und Perowskit-Materialien sprechen.
Quelle: TechBlick. Nach Angaben der Universität Swansea.
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Parallel dazu, und das ist ebenso wichtig, gibt es in der Branche inzwischen einen beträchtlichen Fundus an technischen Erkenntnissen auf Produktionsebene. Zunächst sammelte Konarka enorme Geldsummen ein, aber die Hype-Blase um die OPV-Technologie platzte mit dem Konkurs des Unternehmens.
Konarka litt unter dem schlechten Timing zu dieser Zeit. China baute die Produktionskapazitäten für Si-Zellen durch Finanzierungen und andere staatliche Unterstützung massiv aus und veränderte die Wettbewerbslandschaft durch den Verfall der $/W-Preise. Konarka machte jedoch auch technologische Fehler. Das Unternehmen wollte zu früh expandieren und versuchte, eine bestehende, nicht kundenspezifische 1,5 m breite Bahnmaschine von Polaroid zu verwenden, die nicht optimiert werden konnte, um die Effizienz der OPV-Zellen zu steigern. So gelang es trotz der Investitionen nie, den Wirkungsgrad von 5 % zu erreichen, und die Maschine wurde nie auch nur annähernd mit der vorgesehenen Bahngeschwindigkeit betrieben. Die Branche hat ihre Lehren daraus gezogen.
Trotz dieses Rückschlags setzte die Branche ihre Entwicklungen fort. Es kam zu einer gewissen technologischen Konsolidierung durch Fusionen und Übernahmen und, was noch wichtiger ist, zu einem hervorragenden Aufbau von technischem Fachwissen.
Wie das folgende Beispiel zeigt, können die Unternehmen jetzt breitere Bahnen mit guter Einheitlichkeit verarbeiten. Dieses spezielle Beispiel stammt von Sunew in Brasilien. Das Unternehmen druckt auf 0,5 m breiten Bahnen mit einer Länge von bis zu 1,5 km. Das Unternehmen verfügt über fünf Druckstationen und 32 Drucklinien (bei doppelseitigem Druck sind es 64).
Wie unten gezeigt, können sie eine Dickengleichmäßigkeit von <2 % über die gesamte Bahn aufrechterhalten. Außerdem erreichen sie einen relativ konstanten EQE, wenn die Bahn skaliert wird. Das ist nicht einfach zu erreichen. Darüber hinaus konnte die Anzahl der Dummy-Läufe auf <<3 reduziert werden, um eine Gleichmäßigkeit zwischen den Läufen zu erreichen. Sie können auch verschiedene Installationsbeispiele sehen, die zeigen, dass diese Technologie noch nicht für die Energieerzeugung im großen Stil bereit ist, aber anderswo einzigartige Nischenanwendungen findet.
Sunew ist nicht das einzige Unternehmen, das die R2R-Produktion von organischen OPVs hochfährt. Auch Armor (ASCA) steigert die Produktion von Heterojunction-OPVs mit Lösungsprozessen. Heliatek beherrscht die komplexe Kunst der R2R-Verdampfung von Tandem-OPVs.
Auf der TechBlick LIVE (online) Konferenz am 1. und 2. Dezember können Sie von allen wichtigen Akteuren in diesem Bereich hören, einschließlich Sunew, Armor und Heliatek. Sie können auch die Redner dieser Firmen in den interaktiven virtuellen Räumen treffen, um sich auszutauschen und weiter zu diskutieren. Sie werden auch von Ausrüstungsherstellern wie Coatema hören, deren Fachwissen und kundenspezifische Beschichtungsmaschinen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung dieser Branche spielen.
Daten von Sunew. Bearbeitet von TechBlick.
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Nicht alle konzentrieren sich auch auf Außenanwendungen oder BIPV. Dies ist sinnvoll, da der Wirkungsgrad und die Kosten von OPV noch nicht annähernd gut genug sind, um direkt mit Si- oder CdTe-Technologien zu konkurrieren.
Ein starkes Verkaufsargument und ein Unterscheidungsmerkmal für OPVs war dagegen schon immer ihre Fähigkeit, Standard-Si-Zellen unter Schwachlichtbedingungen in Innenräumen zu übertreffen. In einigen Fällen, wie das NRCC auf unserer Konferenz zeigen wird, kann der Wirkungsgrad in Innenräumen bis zu 30 % betragen.
Dies erklärt den starken Fokus auf Anwendungen der OPVs zur Energiegewinnung in Innenräumen, insbesondere das Bestreben, ein vollständig integriertes Modul als Ersatz für Knopfzellenbatterien anzubieten oder ihre Lebensdauer so zu verlängern, dass sie zu "fit and forget"-Lösungen werden. Auf der TechBlick-Konferenz wird zum Beispiel Enerthing seinen Ansatz für OPV-basierte Energiegewinnungsmodule diskutieren.
Ein Hindernis für die Einführung von OPV-Energieerntemodulen sind die hohen Kosten der Energieerzeugung durch OPVs. Um dies zu überwinden, könnten R2R-Techniken nützlich werden. Epishine, ein weiterer Redner auf der Live(online)-Konferenz von TechBlick, wird seine vollständige R2R-Linie - von der Produktion bis zur Umwandlung - für die Massenproduktion von OPVs bei hohen Geschwindigkeiten und niedrigen Kosten diskutieren.
Wie Sie erfahren werden, gehen diese Unternehmen weiter als je zuvor, und fast alle profitieren direkt von den technologischen Entwicklungen der vorherigen Generation von Akteuren in diesem Bereich. Einige haben Geräte zu niedrigeren Kosten übernommen, die ursprünglich für andere Anwendungen bestimmt waren, während andere das geistige Eigentum sowie das technische Know-how früherer Akteure absorbiert haben. Daher kann man in all diesen Entwicklungen leicht einen roten Faden und ein gemeinsames Erbe erkennen.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der organischen Solarzellen ist die individuelle Gestaltung des Designs bzw. die freie Formgebung. Hier kann das Tintenstrahldrucken sehr designorientiert sein und es ermöglichen, schnell verschiedene Designs sowie verschiedene aktive Materialien und grüne Lösungsmittel auszuprobieren. Auf der TechBlick-Konferenz am 1. und 2. Dezember 2021 werden Sie von Dracula Technologies hören, einem der Pioniere auf diesem Gebiet. Dracula plant, die Kapazität bis Mitte 2023 auf 5000.000 Stück zu erhöhen, und zeigt damit, dass der Tintenstrahldruck auch eine gute Wahl für die Industrialisierung von OPVs für Innenanwendungen sein kann. Schließlich ist bei der Photovoltaik (organische Stoffe, CIGS, QDs) die Passivierung eine Schlüsselkomponente. Häufig sind höhere Permeabilitätswerte erforderlich (>10E-4g/Tag/qm), was mehrschichtige Strukturen aus organisch-anorganischen Schichtpaaren erfordert. Dies und die derzeit geringen Produktionsmengen treiben die Kosten für Barrierefolien in die Höhe. Diese Schichten sind wiederum ein wichtiger Kostenfaktor, der den Preis von OPVs und anderen Solarzellen in die Höhe treibt. Es ist ein klassisches Henne-Ei-Problem für diese Industrie.
Trotzdem gibt es inzwischen gute technische Lösungen, die immer ausgereifter werden. Auch die Preise sind schnell gefallen, wenn auch nicht schnell genug. Neben den Barriereeigenschaften werden auch zusätzliche Merkmale wie UV-Schutz eingeführt. Auf dieser Konferenz können Sie die neuesten Informationen von zwei führenden Unternehmen, 3M und ITRI, hören. Ersterer ist ein wichtiger Akteur auf diesem Gebiet, letzterer hat eine ganz neue, einzigartige Lösung.
Nehmen Sie bis zum 19. November als Inhaber einer Jahreskarte an TechBlick teil und profitieren Sie von einem Rabatt von 100 Euro (Gutschein: Save100Euros an der Kasse einlösen). Mit diesem Pass können Sie von allen wichtigen Akteuren, die an OPV-Entwicklungen arbeiten, wie Sunew, Armor, Heliatek, Epishine, Dracula Technologies, Brilliant Matters, Phillips 66, Coatema, InfinityPV und anderen, hören und sie treffen. Es gibt wirklich kein anderes Forum, auf dem man alle treffen kann.
Ein letzter Punkt ist, dass Druck- oder R2R-Verfahren nicht nur für organische Stoffe oder Perowskite geeignet sind. Auch CIGS kann R2R-produziert werden. Diejenigen, die sich in der Branche auskennen, erinnern sich vielleicht an einige gut finanzierte Unternehmen, die versuchen, CIGS-Tinten R2R-zudrucken.
Auf dieser Konferenz werden wir von interessanten Ansätzen zur R2R-Verarbeitung von CIGS hören. FlisomAG mit der Technologie der Empa ist in der R2R-Produktion sehr weit fortgeschritten und verfügt über ein fertiges Produktportfolio von flexiblen Hochleistungs-CIGS.
Quelle: Mit Tintenstrahl gedruckte OPVs von Dracula.
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