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Projekte

livMatS (Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems)

The Cluster of Excellence livMatS develops completely novel, bioinspired materials systems that adapt autonomously to various environments and harvest clean energy from their surroundings. The intention of these purely technical – yet in a behavioral sense quasi-living – materials systems is to meet the demands of humans with regard to pioneering environmental and energy technologies. The societal relevance of autonomous systems and their sustainability will thus play an important role in their development. The research program of livMatS is characterized by highly interdisciplinary collaboration between researchers from a broad range of fields including engineering, chemistry, physics, biology, psychology, the humanities, and sustainability sciences.

Our group is focussed on Research Area A: Concepts for energy autonomy and integration - Harvesting, storage, conversion and distribution.

PersiST (Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen)

In PersiST werden monolithische Perowskit-Silizium (Si) Tandemsolarzellen mit Wirkungsgraden über 29% - und damit oberhalb der fundamentalen Grenzen für konventionelle Si-Solarzellen – entwickelt. PersiST adressiert dazu die Anpassung der Perowskitsolarzelle zur Anwendung in Tandem­solarzellen, die Optimierung des Ladungsträgertransports und die elektrische Verbindung der Teilzellen, die Optimierung der Siliziumsolarzelle als Unterzelle in einer Tandemkonfiguration, die Optimierung des optischen Designs des Gesamtsystems zur Maximierung der Gesamt-Generation und der Stromanpassung der Teilzellen, die Verbesserung der Stabilität der Perowskit­solar­zelle, die Vermeidung kritischer Materialien, sowie die ökonomische Bewertung und eine Ökobilanz.

Eine Schlüsseltechnologie, um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, ist dabei die Abscheidung des Perowskitabsorbers auf der Siliziumsolarzelle. In den meisten Fällen wird hierfür ein nasschemischer Spin-on Prozess verwendet, da hierzu die meisten Erfahrungen bestehen und sehr hohe Wirkungsgrade für reine Perowskitsolarzellen erreicht wurden. Allerdings ist dieser Prozess nicht einfach auf texturierten Siliziumsubstraten anzuwenden, da es aufgrund der starken Oberflächentopographie sehr schwierig ist, geschlossene und homogene Schichten zu erzeugen. Pyramidal texturierte Oberflächen sind aber weiterhin der einfachste und effizienteste Weg einen sehr guten Lichteinfang und damit ein hohes Wirkungsgrad­potential von siliziumbasierten Solarzellen zu erreichen. Deswegen soll im Teilvorhaben der Albert-Ludwigs Universität Freiburg ein alternativer Aufdampf­prozess für den Perowskitabsorber entwickelt werden, da Aufdampfprozesse auch auf texturierten Oberflächen die Herstellung eines homogenen Absorbers ermöglichen sollten.

Genesis (Neuartige und weiterentwickelte Produktionsprozesse für die nächste Generation von Silizium Solarzellen)

Ziel des Verbundvorhabens GENESIS ist die Entwicklung hocheffizienter kristalliner Silizium Solarzellen auf Basis industrierelevanter Si-Wafer sowie industrierelevanter Einzel- und Gesamt-prozesse zur Solarzellenfertigung. Mono- und Bifaziale Solarzellen stehen als Produktvarianten gleichrangig im Fokus.
Das Teilvorhaben der Universität Freiburg ist ein wesentlicher Bestandteil zur Erreichung der Wirkungsgradziele und der Weiterentwicklung der Zellkonzepte des GENESIS-Gesamtvorhabens. Das Teilvorhaben der Universität Freiburg befasst sich mit der Simulation von Solarzellen mit passivierter Rückseite PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) und ganzflächig passivierendem Rückseitenkontakt PER-cs-C (passivated emitter and rear carrier selective contact) sowie der Mikro-Charakterisierung von lokalen Kontakten.
Wesentliche Arbeitsinhalte der Universität Freiburg sind die numerische Simulation von PERC(+), PER-cs-C(+), und Prozesssimulation zu Defekten und Verunreinigungen im Silizium-Wafer während der PERC-Prozessierung. Desweiteren steht die Erweiterung der Möglichkeiten zur Mikro-Charakterisierung von lokalen Kontakten und Unterstützung der Projektpartner bei der Entwicklung von lokalen Kontakten im Fokus.
Diese Arbeiten sind eng verzahnt mit den Aktivitäten der Projektpartner und sollen so das Gesamtvorhaben stützen. Im Bereich der Mikro-Charakterisierung von lokalen Kontakten soll eine direkte Kooperation mit einzelnen Projektpartnern erfolgen. Eine sehr enge Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISE ist bei der technologischen Entwicklung von passivierten Kontakten geplant, die wesentlich durch die Simulationsarbeiten an der Universität Freiburg unterstützt werden sollen.

OPoSiT (Fortgeschrittene Optik für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen)

Im DFG-Projekt OPoSiT sollen die optischen Eigenschaften einer Perowskit-Si-Tandemsolarzelle optimiert werden. Die höhere Spannung der Perowskitsolarzelle impliziert, dass pro absorbiertem Photon mehr Energie genutzt werden kann. Deshalb ist es wünschenswert, dass möglichst viele Photonen in der Perowskit¬solarzelle absorbiert werden. Andererseits sollte aufgrund der Serienverschaltung in einer Tandem¬solarzelle mit zwei Anschlüssen der Strom in beiden Solarzellen am Arbeitspunkt gleich sein. Daraus ergeben sich die folgenden Ziele für das optische Design:
1.    Maximierung Lichteinkopplung in das System.
2.    Maximierung der zur Stromproduktion beitragenden Absorption höherenergetischer Photonen in der Perowskitsolarzelle.
3.    Maximierung der Transmission der für die Perowskitsolarzelle nicht nutzbaren niederenergetischen Photonen in die Si-Solarzelle.
4.    Maximierung der Nutzung niederenergetischer Photonen in der Si-Solarzelle.

LIMES (Limitierende Defekte in Si-Materialien für höchsteffiziente Solarzellen)

Bei höchsteffizienten Solarzellen spielen Materialdefekte, die die Ladungsträgerlebensdauer limitieren, eine große Rolle. Selbst beste aktuelle Si-Materialien erreichen nicht immer Lebensdauern von mehreren Millisekunden. Im Projekt soll untersucht werden, welche Defekte Lebensdauern im ms-Bereich in aktuell
besten, industrierelevanten Si-Materialien limitieren, wie sich die Defekte bei unterschiedlichen Höchsteffizienzprozessen verhalten und wie sich die negativen Auswirkungen durch optimierte Prozesse einschränken lassen.

PaSodoble (Passivierende selektive Kontakte für die Solarzellenvorderseite von beidseitig kontaktierten Solarzellen)

Die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (ALU-FR) arbeitet in dem Projekt PaSodoble an einem neuartigen Verfahren zu Herstellung von passivierenden selektiven Kontakten für Siliziumsolarzellen. Dafür werden die Kompetenzen im Bereich der Anorganische und Analytische Chemie (Gruppe Krossing), der Organischen Chemie (Gruppe Esser) und der Solarzellen (Gruppe Glunz) gebündelt. Die Koordination der Arbeiten liegt in der Gruppe von Prof. Glunz, in der auch die Charakterisierung und Simulation des gesamten Projektes gebündelt ist. Darüber hinaus findet ein enger Probenaustausch zwischen Universität und dem Fraunhofer ISE statt.

Hydra (Wasserstoff in Silizium für Solarzellen - Fluch und Segen)

Wasserstoff zeigt sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf die elektronischen Eigenschaften von Silizium. In diesem Projekt werden die physikalischen Ursachen hierfür analysiert und Strategien entwickelt, Wasserstoff in einem für die Zellperformance förder-lichen Zustand im Silizium vorliegen zu haben.

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen sowohl sehr positive als auch negative Einflüsse von Wasserstoff (H) auf die Solarzellenperformance. Eingebrachter H ist nachweislich in der Lage, extrinsische und intrinsische Defekte sowohl im Silizium(Si)-Volumen als auch an der Oberfläche zu passivieren. So konnte gezeigt werden, dass H eine entscheidende Rolle bei einigen der wichtigsten Materialverbesserungen spielt: (i) der Regeneration des Bor-Sauerstoff(BO) korrelierten Defekts, (ii) der Passivierung von schädlichen Korngren-zen und anderen Kristalldefekten in multikristallinem Si, (iii) der Verbesserung der Ober-flächenpassivierung durch H-haltige dielektrische Schichten sowie (iv) bei passivierenden Kontaktsystemen wie z. B. TOPCon (tunnel oxide passivated contacts). Andererseits deu-ten neueste Untersuchungen darauf hin, dass H in bestimmten Konfigurationen selbst einen schädlichen Defekt bilden oder dessen Bildung unterstützen kann und für die Le-TID(light and elevated temperature induced degradation)-Degradation verantwortlich ist. Dieses Projekt setzt sich zum Ziel, die bislang unbekannten Wirkmechanismen und die Kinetik von H in Si qualitativ und quantitativ zu verstehen, um darauf aufbauend Optimierungsstrategien und geeignete, industriell einsetzbare Schichtsysteme zum Umgang mit H für unterschiedlichste Fragestellungen im Bereich der kristallinen Si-Photovoltaik zu ent-wickeln. Der Fokus liegt auf der Erarbeitung und Bereitstellung von notwendigem Wissen zum Einfluss von H auf auftretende Degradationsphänomene für weitere Projekte mit dem Ziel, unter Arbeitsbedingungen langzeitstabile Hocheffizienz-Solarzellen und -module zu erhalten. Hierfür sind gegebenenfalls Anpassungen der existierenden Anlagen für die in-dustrielle Massenfertigung hinsichtlich einer optimalen Prozessführung notwendig, wobei darauf geachtet werden muss, dass bei der Optimierung des H-Haushalts nicht parallel andere gewünschte Eigenschaften der dielektrischen Schichtsysteme negativ beeinflusst werden. Die Ergebnisse sind daher für alle laufenden und zukünftigen Zellentwicklungs-projekte für momentan in der Industrie implementierte und insbesondere für zukünftige Hocheffizienz-Solarzellkonzepte auf Si-Basis von zentraler Bedeutung. Da es sich um teilweise sehr grundlegende Fragestellungen und Experimente handelt, können diese Punkte nicht im erforderlichen Umfang in den Zellentwicklungsprojekten durchgeführt werden, obwohl sie für die weitere erfolgreiche Entwicklung der Hocheffizienz-Solarzellenkonzepte von entscheidender Bedeutung sind.