Upscaling of perovskite solar modules: The synergy of fully evaporated layer fabrication and all‐laser‐scribed interconnections

Given the outstanding progress in research over the past decade, perovskite photovoltaics (PV) is about to step up from laboratory prototypes to commercial products. For this to happen, realizing scalable processes to allow the technology to transition from solar cells to modules is pivotal. This work presents all-evaporated perovskite PV modules with all thin films coated by established vacuum deposition processes. A common 532-nm nanosecond laser source is employed to realize all three interconnection lines of the solar modules. The resulting module interconnections exhibit low series resistance and a small total lateral extension down to 160 μm. In comparison with interconnection fabrication approaches utilizing multiple scribing tools, the process complexity is reduced while the obtained geometrical fill factor of 96% is comparable with established inorganic thin-film PV technologies. The all-evaporated perovskite minimodules demonstrate power conversion efficiencies of 18.0% and 16.6% on aperture areas of 4 and 51 cm$^{2}$, respectively. Most importantly, the all-evaporated minimodules exhibit only minimal upscaling losses as low as 3.1%$_{rei}$ per decade of upscaled area, at the same time being the most efficient perovskite PV minimodules based on an all-evaporated layer stack sequence

Roadmap für strombasierte Kraftstoffe 03EIV116A-G

Synthetische Kraftstoffe können die Defossilisierung des Verkehrssektors mit vorantreiben. Besonders bei hohen Transportvolumina oder für große Entfernungen sind diese Kraftstoffe eine vielversprechende Option, etwa in der Luft- und Schifffahrt oder zu Teilen im Schwerlastverkehr. Auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien hergestellte Kraftstoffe sollen in Zukunft entscheidend dazu beitragen, die CO2-Bilanz zu verbessern und Klimaneutralität im Verkehrssektor zu erreichen. Die Forschung dockt damit an die Schnittstelle zwischen Energie- und Verkehrssektor an. Im Rahmen der BMWK-Forschungsinitiative Energiewende im Verkehr (EiV) haben von 2018 bis 2023 insgesamt 16 industriegeführte F&E-Projekte die Entwicklung synthetischer Kraftstoffe für den Luft-, See- und Straßenverkehr deutlich vorangebracht. In den Projekten wurde eine Vielzahl verschiedener Kraftstoffe, Herstellverfahren und Anwendungen betrachtet. Dabei war es die Aufgabe der „Begleitforschung Energiewende im Verkehr“ (BEniVer), als einer der 16 EiV-Projektverbünde, die Projektergebnisse der technischen Forschungsvorhaben der Förderinitiative auf Basis eigenständiger wissenschaftlicher Analysen vergleichbar zu machen. Dazu wurden einheitliche Rahmenannahmen und Methodikleitfäden entwickelt. Die Ergebnisse der Forschungsprojekte wurden in einer Gesamtbetrachtung zusammengeführt und dienten als Grundlage für technische, ökonomische und ökologische Bewertungen. Dabei beruhten die technologie-orientierten Bottom-Up-Analysen auf den neuesten Forschungsarbeiten. Diese wurden mit systemorientierten Top-Down-Analysen des Energie- und Verkehrssystems sowie möglichen Transformationspfaden auf dem Weg zur Klimaneutralität kombiniert. Weitere Analysen zur Akzeptanz und zur Markteinführung adressieren zudem gesellschaftliche Dimensionen und Auswirkungen der Einführung von strombasierten Kraftstoffen. Auf Basis der ganzheitlichen Analysen wurden Schlussfolgerungen abgeleitet. Als Ergebnis der langjährigen und fachübergreifende Begleitung der EiV-Forschungsvorhaben ist mit der Roadmap für strombasierte Kraftstoffe ein Leitfaden entstanden mit Handlungsoptionen für die Erforschung, Entwicklung, Produktion und Markteinführung dieser Kraftstoffe

Forschungsinitiative Energiewende im Verkehr, Kurzbericht zur „Roadmap für strombasierte Kraftstoffe“ 03EIV116A-G

Synthetische Kraftstoffe können die Defossilisierung des Verkehrssektors mit vorantreiben. Besonders bei hohen Transportvolumina oder für große Entfernungen sind diese Kraftstoffe eine vielversprechende Option, etwa in der Luft- und Schifffahrt oder zu Teilen im Schwerlastverkehr. Auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien hergestellte Kraftstoffe sollen in Zukunft entscheidend dazu beitragen, die CO2-Bilanz zu verbessern und Klimaneutralität im Verkehrssektor zu erreichen. Die Forschung dockt damit an die Schnittstelle zwischen Energie- und Verkehrssektor an. Im Rahmen der BMWK-Forschungsinitiative Energiewende im Verkehr (EiV) haben von 2018 bis 2023 insgesamt 16 industriegeführte F&E-Projekte die Entwicklung synthetischer Kraftstoffe für den Luft-, See- und Straßenverkehr deutlich vorangebracht. In den Projekten wurde eine Vielzahl verschiedener Kraftstoffe, Herstellverfahren und Anwendungen betrachtet. Dabei war es die Aufgabe der „Begleitforschung Energiewende im Verkehr“ (BEniVer), als einer der 16 EiV-Projektverbünde, die Projektergebnisse der technischen Forschungsvorhaben der Förderinitiative auf Basis eigenständiger wissenschaftlicher Analysen vergleichbar zu machen. Dazu wurden einheitliche Rahmenannahmen und Methodikleitfäden entwickelt. Die Ergebnisse der Forschungsprojekte wurden in einer Gesamtbetrachtung zusammengeführt und dienten als Grundlage für technische, ökonomische und ökologische Bewertungen. Dabei beruhten die technologie-orientierten Bottom-Up-Analysen auf den neuesten Forschungsarbeiten. Diese wurden mit systemorientierten Top-Down-Analysen des Energie- und Verkehrssystems sowie möglichen Transformationspfaden auf dem Weg zur Klimaneutralität kombiniert. Weitere Analysen zur Akzeptanz und zur Markteinführung adressieren zudem gesellschaftliche Dimensionen und Auswirkungen der Einführung von strombasierten Kraftstoffen. Auf Basis der ganzheitlichen Analysen wurden Schlussfolgerungen abgeleitet. Als Ergebnis der langjährigen und fachübergreifende Begleitung der EiV-Forschungsvorhaben ist mit der Roadmap für strombasierte Kraftstoffe ein Leitfaden entstanden mit Handlungsoptionen für die Erforschung, Entwicklung, Produktion und Markteinführung dieser Kraftstoffe

Optische Dreiwellenspektroskopie an GaAs(001), Si(111) und Pt-Elektrolyt-Grenzflächen

Nonlinear optical spectroscopy was used to investigate GaAs(001), Si(111) and Pt-electrolyte interfaces. GaAs(001): The spectral dispersion of the magnitude of the second-order nonlinear susceptibility |æxyz| of GaAs has been determined by second-harmonic generation (SHG) for two-photon energies between 2 eV and 5 eV. In this range the frequency dependence of |æxyz| is shown to be dominated by the E_1, E_1+Delta_1and E_0' and E_2 critical-point-transitions of GaAs. At the E_1 transition ( 2.91 eV) the value of |æxyz| is 870 nm/V . An interference effect is observed between the E_0' and E_2 contributions to |æxyz|, in agreement with recent calculations. A strong and spectrally narrow resonance at 3.35 eV in the SHG spectrum of GaAs is assigned to a surface transition related to the gallium oxide surface layer of the GaAs samples. Si(111): The ideal Si(111)(1x1)H surface, this surface during oxidation on air and various oxidized Si(111)-SiO2 interfaces are studied with SHG for two-photon energies between 2.5 and 5 eV. Native oxidation of the Si(111)(1x1)H surface causes the appearance and disappearance, respectively, of SHG resonances which are identified with specific Si-Si bonding configurations at the interface. Specifically, resonances at 3.52 eV two-photon energy observed in p-polarized SHG spectra are related to a Si suboxide configuration present in a partially oxidized Si surface bilayer. The same resonances are observed in spectra of thermally oxidized Si(111) and identified with a Si2+ suboxide state at the buried interface. Pt-electrolyte Vibration bands of CO and H2O adsorbed to Pt at the Pt/aqueous electrolyte interface are studied by spectroscopic sum-frequency generation (SFG) in the spectral range between 1700 and 4000 cm-1. For the Pt(111)-electrolyte interface, dipol-dipol coupling of two coexisting domains with different CO-adsorbate structures is observed. It is found an increasing SFG intensity of the stretching mode of "on-top" adsorbed CO during the phase transition from the (2x2)-3CO to the (root 19 x root 19) -13CO structure. To investigate surface reactions with SFG with enhanced reaction rates a new kind of electrochemical cell is developed. This cell works with thin Pt films evaporated on IR-transparent substrates. The new electrochemical cell and the Pt films, evaporated on sapphire(0001) substrates, are also presented in detail. The vibrations of the electrolyte close to the interface of thick Pt(111) single crystals (using the common cell) and thin Pt films (using the new cell) are investigated under varying electrode potentials. While SFG spectra obtained in the common cell have a gap in the spectral range of OH-vibrations, the new cell allows investigating vibrations with SFG in the whole spectral range between 1700 and 4000 cm-1. In previous experiments, using the common cell, CO is only observed at the Pt/aqueous electrolyte interface at potentials below 500 mV/RHE because of a limited thickness of the electrolyte. Experiments with the new cell do not have a limited electrolyte thickness and show clearly CO adsorbed on Pt until the potential of maximum CO oxidation rate at 850 mV/RHE

Optische Dreiwellenspektroskopie an GaAs(001), Si(111) und Pt-Elektrolyt-Grenzflächen

Nonlinear optical spectroscopy was used to investigate GaAs(001), Si(111) and Pt-electrolyte interfaces. GaAs(001): The spectral dispersion of the magnitude of the second-order nonlinear susceptibility |æxyz| of GaAs has been determined by second-harmonic generation (SHG) for two-photon energies between 2 eV and 5 eV. In this range the frequency dependence of |æxyz| is shown to be dominated by the E_1, E_1+Delta_1and E_0' and E_2 critical-point-transitions of GaAs. At the E_1 transition ( 2.91 eV) the value of |æxyz| is 870 nm/V . An interference effect is observed between the E_0' and E_2 contributions to |æxyz|, in agreement with recent calculations. A strong and spectrally narrow resonance at 3.35 eV in the SHG spectrum of GaAs is assigned to a surface transition related to the gallium oxide surface layer of the GaAs samples. Si(111): The ideal Si(111)(1x1)H surface, this surface during oxidation on air and various oxidized Si(111)-SiO2 interfaces are studied with SHG for two-photon energies between 2.5 and 5 eV. Native oxidation of the Si(111)(1x1)H surface causes the appearance and disappearance, respectively, of SHG resonances which are identified with specific Si-Si bonding configurations at the interface. Specifically, resonances at 3.52 eV two-photon energy observed in p-polarized SHG spectra are related to a Si suboxide configuration present in a partially oxidized Si surface bilayer. The same resonances are observed in spectra of thermally oxidized Si(111) and identified with a Si2+ suboxide state at the buried interface. Pt-electrolyte Vibration bands of CO and H2O adsorbed to Pt at the Pt/aqueous electrolyte interface are studied by spectroscopic sum-frequency generation (SFG) in the spectral range between 1700 and 4000 cm-1. For the Pt(111)-electrolyte interface, dipol-dipol coupling of two coexisting domains with different CO-adsorbate structures is observed. It is found an increasing SFG intensity of the stretching mode of "on-top" adsorbed CO during the phase transition from the (2x2)-3CO to the (root 19 x root 19) -13CO structure. To investigate surface reactions with SFG with enhanced reaction rates a new kind of electrochemical cell is developed. This cell works with thin Pt films evaporated on IR-transparent substrates. The new electrochemical cell and the Pt films, evaporated on sapphire(0001) substrates, are also presented in detail. The vibrations of the electrolyte close to the interface of thick Pt(111) single crystals (using the common cell) and thin Pt films (using the new cell) are investigated under varying electrode potentials. While SFG spectra obtained in the common cell have a gap in the spectral range of OH-vibrations, the new cell allows investigating vibrations with SFG in the whole spectral range between 1700 and 4000 cm-1. In previous experiments, using the common cell, CO is only observed at the Pt/aqueous electrolyte interface at potentials below 500 mV/RHE because of a limited thickness of the electrolyte. Experiments with the new cell do not have a limited electrolyte thickness and show clearly CO adsorbed on Pt until the potential of maximum CO oxidation rate at 850 mV/RHE

Stellungnahme zum achten Monitoring-Bericht der Bundesregierung für die Berichtsjahre 2018 und 2019. Expertenkommission zum Monitoring-Prozess "Energie der Zukunft"

Die vorliegende Stellungnahme der Expertenkommission zum Monitoring-Prozess „Energie der Zukunft“ kommentiert den achten Monitoring-Bericht zur Energiewende der Bundesregierung für die Berichtsjahre 2018 und 2019. Die Stellungnahme bezieht sich auf den Entwurf des achten Monitoring-Berichts, welcher der Expertenkommission im Dezember 2020 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) in einer vorläufigen Fassung zur Verfügung gestellt wurde. Soweit zeitlich möglich, wurden auch Änderungen des achten Monitoring-Berichts im Kontext der Ressortabstimmung berücksichtigt. Die vorliegende Stellungnahme basiert auf dem am 18. Dezember 2020 für die Expertenkommission verfügbaren Informations- und Datenstand. Zur Dokumentation des Fortschritts bei der Umsetzung des Energiekonzepts veröffentlicht die Bundesregierung jährlich einen faktenbasierten Monitoring-Bericht und zudem alle drei Jahre einen Fortschrittsbericht mit einer vertieften Analyse der Entwicklungen und Maßnahmen sowie einem Ausblick. In diesem Jahr veröffentlicht die Bundesregierung ihren mittlerweile achten Monitoring-Bericht. Seit 2011 steht der Bundesregierung in diesem Prozess eine unabhängige Kommission aus vier Expertinnen und Experten beratend zur Seite. Die Expertenkommission zum Monitoring-Prozess „Energie der Zukunft“ legt ihrerseits jährliche Stellungnahmen zum Fortschritt der Energiewende vor, die den Berichten der Bundesregierung beigefügt und dem Kabinett sowie dem Bundestag zugeleitet werden. Die vorliegende Stellungnahme der Expertenkommission bezieht sich auf den Entwurf des achten Monitoring-Berichts, der der Expertenkommission am 09. Dezember 2020 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) zur Verfügung gestellt wurde