Mit Sonnensimulator zu exakten Ergebnissen
Die korrekte Kalibrierung von Perowskit-Silicium-Solarzellen ist anspruchsvoll. Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg kommt dafür jetzt ein Sonnensimulator zum Einsatz.
Ein Projektkonsortium unter Leitung des Fraunhofer ISE entwickelt Verfahren zur Charakterisierung von Perowskit-basierten Tandemmodulen. Der dabei eingesetzte Sonnensimulator verfügt über ein vergleichsloses Testspektrum.
Foto: Wavelabs
In der Breite finden nach wie vor meist Silicium-Solarzellen Anwendung in PV-Modulen. Allerdings wird auch zu Alternativen geforscht. Eine vielversprechende Variante sind so genannte Tandem-Solarzellen, die verschiedene Solarzellen vereinen, um ein breiteres Spektrum der Sonneneinstrahlung nutzbar zu machen. Dazu zählen unter anderem Perowskit-Silicium-Kombinationen. Jedoch ist ihre Kalibrierung im Unterschied zu klassischen Silicium-PV-Modulen deutlich herausfordernder. Ein Projektkonsortium unter Leitung des Fraunhofer ISE entwickelt deshalb im Rahmen des Projekts „Katana“ neue Verfahren zur Charakterisierung von Perowskit-basierten Tandemmodulen. Dabei kommt auch ein eigens gebauter Sonnensimulator zum Einsatz.
Weltweit kein vergleichbarer Sonnensimulator im Einsatz
„Es ist wichtig, für die aufstrebende Technologie möglichst bald hoch präzise und reproduzierbare Messungen zur Verfügung zu stellen, damit es einen objektiven Wettbewerb geben kann“, erläutert Professor Dr. Stefan Glunz, Bereichsleiter für Photovoltaik Technologien am Fraunhofer ISE. Um Perowskit-Tandemmodule vermessen zu können, wird ein umfassendes Verständnis für die darin verbauten Solarzellen benötigt. Dr. Martin Schubert, Leiter des Projekts am Fraunhofer ISE: „Alle Zellschichten müssen von unterschiedlichen Lichtquellen unter möglichst genau den Bedingungen angestrahlt werden, unter denen sie auch bei Sonnenlicht Strom produzieren würden, um dann Aussagen über den Wirkungsgrad der Gesamtzelle und des Moduls machen zu können.“ Der für die Kalibrierung fertiggestellte Sonnensimulator im CalLab PV Modules des Freiburger Instituts ermöglicht genau das. Er vermisst Perowskit-Silicium-PV-Zellen im Labormaßstab ab fünf mal fünf Millimetern bis hin zum PV-Modul von 2,40 mal 1,30 Metern. Dafür kommen 28 unterschiedliche spektral einstellbare Lichtkanäle, verteilt auf 40 Lichtquellen mit insgesamt 18.400 LEDs im Wellenlängenbereich von 320 bis 1.650 Nanometern zum Einsatz – eine weltweit einmalige Bandbreite. Der Sonnensimulator ermöglicht darüber hinaus auch eine Charakterisierung von Mehrfachsolarzellen und -modulen aus weiteren Materialien.
Der Sonnensimulator verfügt über 28 spektral einstellbare Lichtkanäle, verteilt auf 40 Lichtquellen mit insgesamt 18400 LEDs.
Foto: Fraunhofer ISE
Tandemmodule bisher vorwiegend im aufwenigen Außentest
Bei Perowskit-Silicium-Tandemsolarzellen und -modulen können zur Effizienzbestimmung nicht ohne weiteres die klassischen Blitzlicht-Simulatoren (Flasher) aus der Silicium-Photovoltaik zum Einsatz kommen, da diese das Lichtspektrum, das die Tandemzellen in Strom umwandeln, nicht variabel auf die Technologie einstellen können. Außerdem reicht eine blitzartige Beleuchtung durch einen Flasher zeitlich nicht aus, um die Effekte zwischen den Teilzellen zu berücksichtigen. Für das metastabile Verhalten der Perowskit-Technologie müssen die Solarzellen und -module unter Dauerlicht getestet werden. Bisher wurde die Effizienz von Perowskit-basierten Tandemmodulen deshalb in aufwendigen und wetterabhängigen Außentests eruiert.
Ganz neue Möglichkeiten der Simulation
„Der neue Sonnensimulator ist ein Meilenstein hin zu einem standardisierten Kalibrierverfahren für Perowskit-Silicium-Tandemmodule. Bei seinem Bau mussten wir zum einen gewährleisten, dass die LED-Beleuchtung die Module über die gesamte Fläche hinweg homogen bestrahlt und zum anderen deren Lichtspektren so einstellbar machen, dass alle Zellschichten realitätsnah aktiviert werden“, berichtet Falko Griehl, Projektleiter für den Sonnensimulator SINUS-3000 Advanced beim Entwickler Wavelabs. Er ergänzt: „Mit dieser Technologie können wir jenseits der Standardspektren auch das Licht zu beliebigen Tageszeiten und Regionen simulieren, so dass man deren Einfluss auf Tandemmodule untersuchen kann.“ Die durch die längere Ausleuchtung entstehende Wärme während einer Modul- Charakterisierung gleicht ab 2024 eine zusätzlich installierte Klimakammer aus, in der die Tandem-PV-Zellen und -Module für die Vermessung platziert werden.
