Die Stromgestehungskosten für die photovoltaische Stromerzeugung sind in den letzten Jahren dramatisch gefallen. So werden in einigen Ländern die Stromgestehungskosten der fossilen und nuklearen Stromerzeugung deutlich unterschritten. Die wesentlichen Herausforderungen bestehen nun in der intelligenten Anwendung und einer optimierten Integration der Photovoltaik in den unterschiedlichen Anwendungsgebieten. Durch Verbesserung der Wirkungsgrade bei den Modulen können zukünftig weitere Kosteneinsparungen ermöglicht werden. Hierbei spielen auch neue Technologien und Materialien eine Rolle, die z. B. über Tandemzellen den Wirkungsgradhorizont erweitern.

Die Plattform Photovoltaik der ZHAW School of Engineering zeigt die unterschiedlichen Kompetenzen im Bereich der anwendungsorientierten Photovoltaik für Industrie und F&E-Partner auf.

• Photovoltaik-Systeme (Aufdachanlagen-, PV und Gründach-, Floating-PV, Freiflächenanlagen-, Agro-Photovoltaik, Alpine Anlagen, BIPV, Photovoltaik Faltdachanlagen, PV Carports, bifaziale Module)
• Photovoltaik Systemtechnik und Elektronik (Wechselrichter, Optimizer), Ertragsanalyse und Optimierung von unterschiedlichen Photovoltaiksystemen mittels Simulation und Messungen
• Simulation und Charakterisierung von Solarzellen
• Schnellalterungstests für Photovoltaikmodule
• Organische und Perowskit-Solarzellen
• Produktionstechnologie in der Photovoltaik
• Photovoltaik in Kombination mit Wärmepumpen und elektrischen Speichern
• Optoelektronische Modellierung und numerische Simulation von Dünnschicht- und Tandemsolarzellen (Drift-Diffusion)
• Bauelemente-Physik von neuartigen Solarzellen
• Charakterisierung von Solarzellenmaterialien auf der Nanoskala
• Integration von Photovoltaik an Fahrzeugen
• Messtechnik zur Qualitätssicherung und Performance Analyse
• Netzintegration von Photovoltaikstrom

In diesem Projekt werden neue Verbindungstechnologien für bifaziale Solarzellen entwickelt und untersucht. Erhöhtem Widerstandsverlust durch höhere Ströme kann mit fortschrittlichen Verbindungstechnologien begegnet werden. Drei Ansätze werden untersucht, wobei jeweils auch eine Optimierung der Materialien sowie der Zell / Modulauslegung durchgeführt wird.

Bifaziale und monofaziale PV-Module werden auf einem begrünten Flachdach in verschiedenen Auf­ständerungsformen installiert. Erträge klassischer Anordnungen werden mit jenen bei vertikaler Instal­lation bifazialer Module verglichen, welche günstig sein kann um Zielkonflikte zwischen PV und Begrü­nung zu minimieren. Um einen möglichst hohen Ertrag zu ermöglichen wird ein Gründach mit hohem Reflexionsvermögen und niedrigem Bewuchs realisiert sowie eine angepasste Unterkonstruktion ent­wickelt. Hierzu wird ein spezielles Substrat sowie angepasstes Saatgut eingesetzt und die Qualität der Begrünung verglichen. Die resultierenden Standortbedingungen und die Biodiversität werden verglei­chend untersucht. Durch die tendenziell höheren notwendigen Schichtdicken der Substrate zur Ballas­tierung erhöht sich die Wasserspeicherung und die damit verbundene Klimatisierungsleistung des Da­ches. Ziel des Projekts ist der Entwurf und Test eines praxistauglichen Gesamtpakets zur Kombination von Gründach und PV.

Für die Untersuchung von Solarzellen im Labormassstab und zur Gewinnung räumlich aufgelöster Informationen über die Zellqualität wird ein Multiimaging-Aufbau entwickelt. Mithilfe von maschinellem Lernen werden Parameter für ein physikalisches FEM-Modell geschätzt, das als digitaler Twin für die weitere Optimierung dient. Mehr zu diesem Projekt

Paios is an all-in-one characterization platform for solar cells and OLEDs. A large variety of state-of-the-art measurements and advanced experiments can be per-formed with one click. In classical research many different experimental setups were required to perform opto-electrical measurements on research devices. With PAIOS, all these techniques are measured within minutes, and the results of different devices can be compared directly in the PAIOS software. PAIOS accelerates research by enabling scientist to think more about the physics and spend less time on measuring and data processing.

Die Summe der Nennleistung aller Module eines Solarkraftwerks bestimmt die jährlich produzierte Strommenge. Erfüllen einige Solarmodule nicht mehr die vom Hersteller versprochenen Nennleistungsgrenzen entspricht dies einer Wertminderung des Solarkraftwerks. Mit dem Portablen LED Flasher können die betroffenen Module im Feld kostengünstig gefunden werden. Über die Nennleistungsmessung kann die Gesamtleistung des Solarkraftwerks lückenlos dokumentiert werden.
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Ein PV-Wechselrichter im Leistungsbereich von 5-10kW wird auf Basis einer Cool SiC MOSFET Brücke von Infineon realisiert, im Labor vermessen und mit einem kommerziellen Si-basierten PV-­Wechselrichter verglichen. Im Labor unter reproduzierbaren Bedingungen werden die Leistungskurven unter verschiedenen Lastbedingungen von beiden Systemen gemessen. Daraus können Verluste quantifiziert, Leistungsdichten berechnet und Effizienzsteigerungen bestimmt werden, um die Vorteile der neuen SiC-Technologie in PV-Wechselrichtern aufzuzeigen. Mehr zu diesem Projekt.

Neuartige Solarzellen mit Metallhalogenid-Perowskitabsorbern haben innerhalb einer Entwicklungszeit von weniger als 15 Jahren im Labor Wirkungsgrade erreicht, die denen herkömmlicher Technologien sehr nahekommen. Die verwendeten ultradünnen Perowskitfilme lassen sich über verschiedenste Verfahren herstellen, u. a. auch lösungsmittelbasiert. Kombiniert in einer Tandemzelle mit Silizium konnten bereits Wirkungsgrade > 31 % realisiert werden. Die jetzigen Herausforderungen auf dem Weg zur Kommerzialisierung bestehen in der Hochskalierung und Stabilität der Herstellungsprozesse, Materialien und Solarmodulen.

Unsere Expertise an der ZHAW besteht in der Bauelemente-Physik, die optoelektronische Charakterisierung und Simulation von Perowskitsolarzellen einschliesst. Wir stellen allerdings auch Testsolarzellen im Labormassstab auf unseren Anlagen her. Unsere Möglichkeiten der Charakterisierung erstrecken sich von der Makro- (Modul, 1 cm, 2 Laborzellen) zur Nanoskala (konfokale optische und Rastersondenmikroskopie). Im Moment arbeiten wir mit Partnern, die spezialisiert sind auf die Materialchemie, an Fragen der Stabilität und an alternativen bleifreien Perowskiten in folgenden Projekten:

Modellierung und Charakterisierung von neuartigen optoelektronischen Bauelementen

In diesem Grundlagenforschungsprojekt geht es darum, die gemischt elektronisch-ionische Leitfähigkeit des Perowskits näher zu erforschen. Die ionische Leitfähigkeit rührt von Kristallgitterdefekten her, die sich im Betrieb bewegen und dadurch zu Stabilitätsproblemen führen. Obwohl diese Prozesse weitestgehend reversibel sind, können sie doch zu einem dauerhaften Rückgang des Wirkungsgrades führen. Ziel des Projektes ist es, diese mobilen Defekte umfangreich zu charakterisieren und dadurch Degradationspfade zu eliminieren. Mehr zu diesem Projekt, Link 2.

Einsatz von maschinellem Lernen in der Bauelemente Simulation

Numerische Simulationen von Perowskitsolarzellen sind sehr aufwändig und erfordern viele Eingangsparameter, die häufig nicht komplett bekannt sind. Um diese Lücke zu schliessen, arbeiten wir mit Ansätzen der Künstlichen Intelligenz. Ziel ist es anfänglich mit synthetischen Daten und später mit realen Messdaten, mögliche Ursachen eines reduzierten Wirkungsgrades, z. B. während der Alterung, mit Hilfe von maschinellem Lernen zu entdecken. Mehr zu diesem Projekt.

Beschleunigte Alterungsmessungen an Perowskitsolarzellen

Um Perowskitsolarzellen möglichst schnell auf den Markt zu bringen, sind beschleunigte Stabilitätstests unter verschärften Bedingungen erforderlich. Etablierte standardisierte Testverfahren für Solarmodule sind hier nicht vollständige ausreichend, um eine Lebensdauerprognose abzugeben. Daher sollen in diesem Projekt zusammen mit unserem Partner Saule Research Institute in Polen Stresstests entwickelt werden, die gezielt auf bestimmte Degradationspfade wirken. Mittels systematischer Variationen und entsprechenden Modellen soll eine Extrapolation der Lebensdauer unter Einsatzbedingungen möglich werden.

Mehr zu diesem Projekt coming soon.

Energieerträge von PV-Systemen auf Flachdächern werden verglichen und unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit optimiert. Dies erfolgt unter Einbeziehung spezifischer Eigenschaften von Flachdächern und Schweizer Rahmenbedingungen. Im Fokus stehen insbesondere dichte Anordnungen zur Erzielung eines hohen Gesamtertrags pro Fläche. Neben konventionellen Ansätzen werden auch PV-Systeme mit zusätzlichen Reflektoren, einachsig nachgeführte Systeme und resultierende Synergieeffekte untersucht.

The opportunities for photovoltaic (PV) solar energy conversion to support the re-quested transition for the realization of the Energy Strategy 2050 are widely recog-nized. However, if PV is to make a significant contribution to satisfy global energy requirements, issues of sustainability need to be addressed with increased urgency. This project aims at assessing the sustainability impacts of the devices and (po-tential) products being developed within the PV2050 projects.

Im Projekt werden erstmals senkrechte Solarpanels getestet. Da diese vor allem die Morgen- und Abendsonne einfangen, wird das Zwischenspeichern in teure Batterien verringert. Dank der vertikalen Montage benötigt das System ausserdem weniger Pflege und verursacht somit geringere Wartungskosten. Die Stromproduktion kann nicht von Schnee behindert werden, das Risiko für Hagelschäden ist sehr gering und schliesslich bleibt die Dachfläche frei zur Begrünung.

Entwicklung eines kostenoptimierten Laminators, Begleitung der Markteinführung und Erweiterung der Anwendungsgebiete auf vernetzende Einbettungsmaterialien wie EVA, Glas/Folien- und Sondermodule.

Im «U-Light» Projekt werden neuartige Leichtbau-PV Module entwickelt, welche kostengünstig, mit einer langen Lebensdauer punkten, einfach zu montieren sind, neue Einsatzgebiete im Gebäudebereich ermöglichen und niedrigste Energiegestehungskosten erreichen. 

Wissenschaftliche Begleitung bei der Weiterentwicklung eines Zauns zur photovoltaischen Stromerzeugung im Rahmen eines Klimafonds-Projektes und weiteren Demonstrationsprojekten.

• Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering
• Institute of Computational Physics
  • Schwerpunkt Organische Elektronik und Photovoltaik
  • Team Novel Semiconductor Devices
• Institute of Product Development and Production Technologies
• Institute of Materials and Process Engineering
• Institut für Nachhaltige Entwicklung
• Institut für Angewandte Mathematik und Physik