Japans NEDO und Panasonic erzielen mit 16,09 % den höchsten Umwandlungswirkungsgrad der Welt für das großflächigste Perowskit-Solarmodul

Die Panasonic Corporation hat mit 16,09 % den höchsten Umwandlungswirkungsgrad der Welt für ein Perowskit-Solarmodul (Aperturfläche von 802 cm²: 30 cm lang x 30 cm breit x 2 mm dick) erzielt, und zwar durch die Entwicklung einer Leichtgewichttechnologie, bei der ein Glassubstrat und eine großflächige Beschichtungsmethode auf der Basis von Tintenstahldruck zum Einsatz kommt. Das Ganze wurde im Rahmen des Projekts der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) durchgeführt, die an der "Entwicklung von Technologien zur Reduzierung von Stromerzeugungskosten für eine hochleistungsfähige und hochzuverlässige Photovoltaik-Stromerzeugung" arbeitet, um die Nutzung der Solarstromerzeugung auf breiter Grundlage zu fördern.

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Perovskite module with the world's highest conversion efficiency among that of the same size (Photo: Business Wire)

Die auf Tintenstrahltechnik basierende Beschichtungsmethode kann eine große Fläche abdecken und daher die Fertigungskosten von Modulen senken. Darüber hinaus ermöglicht das großflächige, leichtgewichtige Modul mit hohem Umwandlungswirkungsgrad eine effiziente Solarstromerzeugung an Orten, an denen herkömmliche Solarmodule schwierig zu installieren sind, wie beispielsweise Fassaden.

Mit Blick in die Zukunft werden NEDO und Panasonic die Perowskit-Beschichtungsmaterialien kontinuierlich verbessern, um eine hohe Effizienz zu erzielen, die mit der von kristallinen Siliziumsolarzellen vergleichbar ist, während sie Technologien für die praktische Anwendung in neuen Märkten einführen.

1. Hintergrund
Kristalline Siliziumsolarzellen sind auf der ganzen Welt am weitesten verbreitet und treffen in Japan auf Märkte wie Mega-Solar, Wohngebäude, Fabriken und öffentliche Einrichtungen. Um in diese Märkte weiter einzudringen und um neue Märkte zu erschließen, ist es entscheidend, Solarmodule leichter und größer zu machen.

Perowskit-Solarzellen^*1 haben einen strukturellen Vorteil, weil ihre Schichtdicke einschließlich Stromerzeugungsschicht nur ein Hundertstel der Stärke von kristallinen Siliziumsolarzellen misst, so dass Perowskit-Module ein geringeres Gewicht als kristalline Siliziummodule haben. Dank ihres geringen Gewichts lassen sich die Module auf verschiedene Arten installieren, wie beispielsweise an Fassaden und Fenstern unter Einsatz von transparenten leitfähigen Elektroden, was wiederum zur verbreiteten Umsetzung von Null-Energie-Gebäuden (Net Zero Energy Buildings, ZEB^*2) führen kann. Weil jede Schicht direkt auf die Substrate aufgetragen werden kann, können diese im Vergleich zur konventionellen Prozesstechnologie billiger produziert werden. Daher erregen Perowskit-Solarzellen als die Solarzellen der nächsten Generation Aufmerksamkeit.

Obwohl die Perowskit-Technologie einen Umwandlungswirkungsgrad von 25,2 %^*3 erzielte, vergleichbar mit kristallinen Siliziumsolarzellen bei kleinen Zellen, war es mit konventioneller Technologie sehr schwierig, Materialien über eine große Fläche hinweg gleichmäßig aufzutragen. Infolgedessen war die Umwandlungseffizienz tendenziell geringer.   

Vor diesem Hintergrund arbeitet NEDO an dem Projekt "Entwicklung von Technologien zur Reduzierung von Stromerzeugungskosten für eine hochleistungsfähige und hochzuverlässige Photovoltaik-Stromerzeugung"^*4, um eine höhere Akzeptanz der Solarstromerzeugung zu fördern. Im Rahmen dieses Projekts hat Panasonic eine Leichtgewichttechnologie entwickelt, bei der Glassubstrate und eine großflächige, auf Tintenstrahldruck basierende Beschichtungsmethode zum Einsatz kommen, einschließlich der Produktion und Aufbereitung von Tinte, die auf das Substrat des Perowskit-Solarmoduls aufgetragen wird. Dank dieser Technologien hat Panasonic den höchsten Umwandlungswirkungsgrad der Welt, nämlich 16,09 %^*5, für Perowskit-Solarmodule (Aperturfläche von 802 cm²: 30 cm lang x 30 cm breit x 2 mm dick) erzielt.

Der Einsatz einer großflächigen Beschichtungsmethode auf Basis von Tintenstrahldruck senkt die Kosten im Fertigungsprozess, während die große Fläche, das geringe Gewicht und der hohe Umwandlungswirkungsgrad dieses Moduls eine hocheffiziente Erzeugung von Solarstrom an Orten erlaubt, an denen herkömmliche Solarmodule schwierig zu installieren sind, wie etwa Fassaden.

Durch die Verbesserung der Perowskit-Beschichtungsmaterialien zielt Panasonic darauf ab, eine hohe Effizienz zu erzielen, vergleichbar mit derjenigen einer kristallinen Siliziumsolarzelle, und Technologien für praktische Anwendungen auf neuen Märkten einzuführen.

2. Errungenschaften
Panasonic konzentriert sich auf die Tintenstrahl-Beschichtungsmethode, die ein präzises und gleichmäßiges Auftragen des Rohmaterials ermöglicht, und wendet diese Technologie auf jede Schicht der Solarzelle an, einschließlich der Perowskit-Schicht auf Glassubstrat, und erzielt dadurch einen hohen Umwandlungswirkungsgrad für ein großflächiges Modul.

[Stand der technischen Entwicklung]
(1) Verbesserung einer Komponente des Perowskit-Vorgängers für die Tintenstrahlbeschichtung
Von den Atomgruppen, die das Perowskit-Kristall bilden, ist Methylamin mit Wärmebeständigkeitsproblemen beim Aufheizen während der Modulproduktion behaftet (Methylamin wird durch Hitze aus dem Perowskit-Kristall herausgelöst, so dass ein gewisser Teil des Kristalls zerstört wird). Durch die Umwandlung eines bestimmten Teils von Methylamin zu Formamidinium, Cäsium und Rubidium, die einen angemessenen Atomdurchmesser haben, hat sich diese Methode für die Kristallstabilisierung als effizient erwiesen und führt zu einem höheren Umwandlungswirkungsgrad.

(2) Kontrolle der Konzentration, Beschichtungsmenge und Beschichtungsgeschwindigkeit der Perowskit-Tinte
Die Bildung des dünnen Films bei der Tintenstrahl-Beschichtungsmethode bietet Flexibilität in Bezug auf das Beschichtungsmuster, während das punkteförmige Auftragen des Materials und die Gleichmäßigkeit der Kristallisierung auf jeder Oberflächenschicht wesentlich sind. Durch das Erfüllen dieser Anforderungen, zum einen durch das Anpassen der Perowskit-Tintenkonzentration auf einen bestimmten Gehalt, zum anderen durch die präzise Steuerung der Beschichtungsmenge und -geschwindigkeit während des Druckverfahrens, konnte ein hoher Umwandlungswirkungsgrad für großflächige Module erzielt werden.

Durch die Optimierung der Beschichtungstechnologien in Bezug auf die Bildung jeder einzelnen Schicht ist es Panasonic gelungen, das Kristallwachstum und die Gleichmäßigkeit der Kristallschichtdicke zu verbessern. Im Ergebnis erzielte Panasonic einen Umwandlungswirkungsgrad von 16,09 % und machte im Hinblick auf die praktische Anwendung einen Schritt nach vorne.

3. Zukunftsplan
In Anbetracht der Realisierung niedrigerer Fertigungskosten und eines geringeren Gewichts für großflächige Perowskit-Module planen NEDO und die Panasonic Corporation, einen neuen Markt zu schaffen, auf dem Solarzellen noch nie platziert und akzeptiert worden sind. Aufbauend auf der Entwicklung sämtlicher Materialien in Verbindung mit Perowskit-Solarzellen planen NEDO und Panasonic, einen hohen Umwandlungswirkungsgrad zu erzielen, der mit demjenigen kristalliner Siliziumsolarzellen vergleichbar ist, während sie sich weiter bemühen werden, die Fertigungskosten auf 15 Yen/W zu senken.

Die Ergebnisse wurden bei der IPEROP20 (Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics) präsentiert, die im Tsukuba International Conference Center stattfand.
URL: https://www.nanoge.org/IPEROP20/program/program

[Anmerkung]
*1 Perowskit-Solarzellen
Eine Solarzelle, deren lichtabsorbierende Schicht aus Perowskit-Kristallen besteht.
*2 Net Zero Energy Building (ZEB)
ZEB (Net Zero Energy Building) ist ein Zweckgebäude, das durch Energiemanagement und ein hocheffizientes System die Qualität des Innenraumklimas aufrechterhält, während es Energie spart und erneuerbare Energie nutzt, um am Ende eines Jahres eine Null-Energiebilanz zu realisieren.
*3 Umwandlungswirkungsgrad 25,2 %
Höchster Umwandlungswirkungsgrad der Welt für kleinflächige Zellen, veröffentlicht durch KRICT (Korea Research Institute of Chemical Technology) und MIT (Massachusetts Institute of Technology).
Best Research-Cell Efficiency (Rev.11-05-2019) - NREL
*4 Entwicklung von Technologien zur Reduzierung von Stromerzeugungskosten für eine hochleistungsfähige und hochzuverlässige Photovoltaik-Stromerzeugung
- Projektname: Entwicklung von Technologien zur Reduzierung von Stromerzeugungskosten für eine hochleistungsfähige und hochzuverlässige Photovoltaik-Stromerzeugung/Erforschung und Entwicklung innovativer neuer Struktur-Solarzellen/Erforschung und Entwicklung innovativer Niedrigkostenproduktion
- Projektlaufzeit: 2015-2019 (Jahre)
- Referenz: NEDO Pressemitteilung vom 18. Juni ^{2018 "World’s Largest Film-based Perovskite Photovoltaic Module"
https://www.nedo.go.jp/english/news/AA5en_100391.html
*5 Umwandlungswirkungsgrad 16,09 %
Messung des Effizienzwerts durch die MPPT-Methode (Maximum Power Point Tracking Method: eine Messmethode, die dem Umwandlungswirkungsgrad in der Praxis näher kommt) des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology.}

Über Panasonic
Die Panasonic Corporation ist ein weltweit führendes Unternehmen bei der Entwicklung verschiedener elektronischer Technologien und Lösungen für Kunden in den Bereichen UnterhaltungsBereichenelektronik, Wohnungsbau, Automobilindustrie und Business-to-Business. Das Unternehmen, das 2018 sein 100-jähriges Bestehen feierte, hat sich weltweit ausgebreitet und betreibt heute 582 Tochtergesellschaften und 87 angeschlossene Unternehmen auf der ganzen Welt. Es erzielte in dem am 31. März 2019 zu Ende gegangenen Geschäftsjahr einen Konzernumsatz von 8.003 Billionen Yen. Im Bestreben, durch bereichsübergreifende Innovationen neue Werte zu schaffen, nutzt das Unternehmen seine Technologien, um seinen Kunden bessere Lebensbedingungen und eine bessere Welt zu ermöglichen. Weitere Informationen zu Panasonic finden Sie hier: https://www.panasonic.com/global.

Über NEDO:
NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) spielt in der Wirtschafts- und Industrialisierungspolitik Japans durch die Finanzierung von Aktivitäten zur technologischen Entwicklung eine wichtige Rolle. NEDO fungiert darüber hinaus als Innovationsbeschleuniger, um die zwei Hauptmissionen der Organisation zu verwirklichen, nämlich die Auseinandersetzung mit Energieproblemen und globalen Umweltproblemen sowie die Weiterentwicklung industrieller Technologien.
Weitere Informationen zu NEDO: https://www.nedo.go.jp/english/introducing_index.html

Quelle: https://news.panasonic.com/global/press/data/2020/02/en200207-2/en200207-2.html

Weiterführende Links
New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO)
https://www.nedo.go.jp/english/

Panasonic R&D Überblick
https://www.panasonic.com/global/corporate/technology-design/r-and-d.html

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