Comparative Technical-Economic Analysis of Perovskite-Silicon Tandem Cells vs. Last-Generation Commercial N-Type Technologies (TOPCon, HJT, and BC)

Stellen Sie sich die Sonne als ein riesiges, unermüdliches Batterieladegerät vor, das auf unseren Planeten herabstrahlt. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, den ultimativen „Solarfänger“ zu bauen – ein Gerät, das so viel dieser Energie wie möglich einfängt und sie in Elektrizität umwandelt, um unsere Lichter, Autos und Städte zu versorgen. Der bisher populärste Fänger besteht aus Silizium, demselben Stoff, der auch in Sand und Computerchips vorkommt. Betrachten Sie Siliziumzellen wie einen einlagigen Schwamm: Sie sind großartig darin, Wasser aufzusaugen, aber sie haben eine Grenze dessen, was sie halten können, bevor sie anfangen zu tropfen. In der Welt der Solarenergie wird diese Grenze als „Shockley-Queisser-Limit“ bezeichnet, eine theoretische Decke, bei der ein einlagiger Schwamm nicht nasser werden kann, egal wie sehr er es versucht.

Um diese Decke zu durchbrechen, bauen Forscher nun „Tandem“-Fänger. Stellen Sie sich vor, man stapelt zwei verschiedene Schwämme übereinander: Eine obere Schicht aus einem neuen, magischen Material namens Perowskit, die hochenergetisches Licht einfängt, und eine untere Schicht aus Silizium, die den Rest auffängt. Dieses zweischichtige Team verspricht, viel mehr Energie aufzusaugen, als ein einzelner Schwamm es jemals könnte. Aber hier ist die große Frage: Ist dieser schicke neue Doppel-Schwamm bereit, die alten, zuverlässigen Einzel-Schwämme zu ersetzen, die wir heute verwenden, oder ist er nur ein cooles Science-Experiment, das zu teuer und zu zerbrechlich für den Einsatz in der realen Welt ist? Dies ist das Rätsel, das eine neue Studie zu lösen versucht.

Das große Solar-Duell: Die alte Garde gegen den neuen Herausforderer

In dieser Studie stellt der Autor David Zarco González eine massive digitale Rennstrecke auf, um die aktuellen Champions der Solarenergie mit dem aufstrebenden Star der Zukunft zu vergleichen. Die „Alte Garde“ besteht aus drei Arten von fortschrittlichen Siliziumzellen, die den Markt bereits dominieren: TOPCon, HJT und BC. Betrachten Sie dies als erfahrene Marathonläufer – zuverlässig, schnell und bewährt darin, das Rennen zu beenden, ohne über die eigenen Füße zu stolpern. Der „Neue Herausforderer“ ist die Perowskit-Silizium-Tandemzelle, ein zweischichtiges Kraftpaket, das verspricht, schneller zu laufen als alle anderen, aber noch lernt, auf den Beinen zu bleiben.

Die Studie betrachtete nicht nur, wer im Labor am schnellsten ist; sie simulierte, wie diese Technologien über 30 Jahre an drei sehr unterschiedlichen realen Standorten performen würden: den heißen, sonnigen Feldern von Córdoba, Spanien; den wechselhaften Ebenen der Südschweiz/Italien; und den bewölkten, kühlen Himmel von Utrecht, Niederlande. Sie testeten auch zwei verschiedene Setups: riesige Solarparks auf dem Boden und Solarmodule auf Industrie-Dächern.

Die Ergebnisse: Wer gewinnt das Rennen?

Als die Simulationen die Zahlen berechneten, waren die Ergebnisse eine Mischung aus „Wow“ und „Warten Sie mal“.

Zuerst zeigten die Perowskit-Silizium-Tandem-Zellen ihre unglaubliche Geschwindigkeit. In den Simulationen erzeugten sie in fast jedem Szenario über drei Jahrzehnte hinweg den meisten Strom. Zum Beispiel erzeugten die Tandem-Zellen in der sonnigen, am Boden montierten Farm in Spanien etwa 57.154,6 MWh über drei Jahrzehnte und schlugen damit den besten Silizium-Läufer (HJT), der 56.172,6 MWh produzierte. Da sie so effizient sind, benötigt man weniger von ihnen, um die gleiche Menge an Energie zu erhalten, was Geld bei den „Systemkosten“ (den Kabeln, Gestellen und der Fläche, die benötigt werden, um sie zu halten) spart.

Es gibt jedoch einen Haken. Die Studie fand heraus, dass Tandem-Zellen zwar mehr Energie produzieren, aber derzeit viel teurer in der Anschaffung und Installation sind. Die Kosten für die Tandem-Module werden auf 0,24 €/Wdc geschätzt, während die Silizium-Rivalen mit 0,115 €/Wdc für TOPCon und 0,125 €/Wdc für HJT viel günstiger sind.

Aufgrund dieses hohen Preisschildes liegt die „Stromgestehungskosten“ (LCOE) – was im Grunde der durchschnittliche Preis ist, den man für jede Einheit Elektrizität über die Lebensdauer des Projekts zahlt – oft sehr nah an oder sogar leicht über den Silizium-Optionen, abhängig vom Standort.

• In Spanien (Boden) lagen die LCOE des Tandems bei 40,72 €/MWh, was etwas höher ist als die von TOPCon mit 40,17 €/MWh.
• In Italien (Boden) lag das Tandem bei 60,10 €/MWh, was tatsächlich etwas höher ist als TOPCon mit 59,90 €/MWh.
• In den Niederlanden (Boden) lag es bei 85,16 €/MWh, was im Wesentlichen identisch mit (und technisch gesehen einen Bruchteil eines Cents höher als) TOPCon mit 85,09 €/MWh ist.

Die Studie legt nahe, dass Tandem-Zellen nur in Orten wie den Niederlanden, wo die Sonne schwächer oder das Wetter kühler ist, ein besseres Geschäft darstellen, da ihre überlegene Effizienz hilft, auch bei schwachem Licht mehr Leistung herauszukitzeln. Aber in den heißesten, sonnigsten Gebieten gleicht der zusätzliche Preis der Tandem-Zellen oft die zusätzliche Energie, die sie erzeugen, wieder aus.

Das Problem der „unerledigten Geschäfte“

Das Paper ist sich über eine große Hürde sehr klar: die Stabilität. Der Autor weist darauf hin, dass Tandem-Zellen zwar schnell sind, aber möglicherweise nicht gebaut sind, um das volle 30-jährige Rennen durchzustehen. Die Studie schätzt, dass Tandem-Zellen mit einer Rate von 1,0–2,0 % pro Jahr degradieren (verschleißen) könnten, während die Silizium-Läufer viel langsamer degradieren, nämlich mit ≤0,40 % für TOPCon und ≤0,25 % für HJT.

Stellen Sie sich einen Läufer vor, der im ersten Meilenabschnitt unglaublich schnell sprintet, dann aber nach jedem Jahr ein wenig mehr lahmt und langsamer wird. Die Silizium-Läufer sind wie Schildkröten: Sie starten stetig und halten über Jahrzehnte ein gleichmäßiges Tempo. Die Studie stellt fest, dass Banken und Investoren, damit sie den Tandem-Zellen große Kredite (nicht rückzahlbare Finanzierungen) anvertrauen, Beweise benötigen, dass diese Zellen nicht nach 10 Jahren auseinanderfallen. Derzeit kommen Tandem-Zellen nur mit einer 10–15 jährigen Pilotgarantie, verglichen mit der 3 0-jährigen Garantie, die die Silizium-Giganten anbieten.

Das Urteil

Also, wie lautet der Endstand? Die Studie kommt zu dem Schluss, dass derzeit die TOPCon-Siliziumtechnologie der König der Kosteneffizienz für große Solarparks ist, während HJT der Champion für heiße Klimate ist, da es Hitze besser verträgt. Die Back Contact (BC)-Zellen sind großartig darin, Licht ohne Schatten einzufangen.

Die Perowskit-Silizium-Tandemzelle ist der „Zukunftschampion“ mit dem höchsten Potenzial für Geschwindigkeit, aber sie hat die Ziellinie noch nicht überquert. Der Autor schlägt vor, dass für Tandem-Zellen, um den Markt zu übernehmen, ihre Herstellungskosten auf unter 0,15–0,18 USD/Wdc sinken müssen (aktuell sind sie viel höher), und sie beweisen müssen, dass sie 30 Jahre lang den Elementen trotzen können, ohne ihre Leistung zu verlieren. Bis dahin sind die zuverlässigen, bewährten Silizium-Läufer immer noch die beste Wahl für den Bau von Solarkraftwerken heute.