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Ende der Silizium-Ära? Perowskit als nächste Solar-Revolution

Ein Schweizer Forschungsteam hat eine Perowskit-Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 30 Prozent entwickelt. - Foto: EPFL, The triple-junction solar cell (54 cm2). © Kerem Artuk; CC BY-SA 4.0

In Kürze:

  • Geschichtete Perowskitsolarzellen versprechen leichtere, kompaktere und günstigere Solarzellen.
  • Durch die Schichtung mehrerer Zellen übereinander steigt der Wirkungsgrad um 50 bis 100 Prozent gegenüber einfachen Siliziumzellen.
  • Großer Nachteil sind Stabilität und Haltbarkeit des Materials, woran noch geforscht wird.
  • Eine erste Auslieferung der neuartigen Solarmodule hat ein deutsches Solarunternehmen bereits getätigt.
 
Der Solar-Boom setzt sich sowohl in Deutschland als auch in anderen Ländern weiter fort. Silizium ist hierbei das dominierende Material, das das Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln kann.
Doch das Element könnte schon bald Konkurrenz bekommen und sogar abgelöst werden. Denn bei der Suche nach immer höheren Wirkungsgraden stehen Forscher mit Perowskitsolarzellen vor einer der vielversprechendsten Effizienzsteigerungen in der Photovoltaik.

Was ist Perowskit?

Perowskit ist ein natürliches Mineral. Chemisch gesehen handelt es sich um ein Calcium-Titan-Oxid beziehungsweise Calciumtitanat. Dieses Mineral selbst hat nichts mit Photovoltaik zu tun.
Seine Kristallgitterstruktur dient jedoch als Vorbild für das künstlich hergestellte Material, das letztlich für Perowskitsolarzellen zum Einsatz kommt. Die Forscher verwenden dafür Stoffe wie Blei, Zinn, Methylammonium, Caesium sowie Chlor, Brom oder Jod. Diese können in Kombination mit der Kristallgitterstruktur Sonnenlicht besonders effektiv in Strom umwandeln.
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Im Gegensatz zum Halbleitermaterial Silizium ist die Herstellung von Perowskitsolarzellen deutlich einfacher.Silizium muss bei Temperaturen von rund 1.400 Grad Celsius geschlozen werden. Anschließend entstehen bei der Weiterverarbeitung in aufwendigen Schritten die bekannten Solarwafer, die gut 150 Mikrometer (µm) dick sind.
Für die Verarbeitung von Perowskit sind hingegen weniger als 200 Grad Celsius erforderlich. Zudem ist die aufgetragene Perowskitschicht nur rund 0,5 µm dick. Das birgt das Potenzial, bei der Herstellung viel Energie und Material einsparen zu können.

Fortschritt beim Wirkungsgrad

Heutige gängige Solarmodule erreichen je nach Herstellungsart einen Wirkungsgrad von 10 bis 22 Prozent erreichen – nur selten liegt dieser darüber. Die theoretische Obergrenze des Wirkungsgrads von Silizium liegt bei 29,3 Prozent.
Eine Möglichkeit, diesen Wert zu erhöhen, ist der Einsatz von sogenannten Mehrschichtsolarzellen. Dabei legen die Entwickler zwei oder mehr Schichten unterschiedlicher Wafer übereinander, die verschiedene Bereiche des Lichtspektrums in Strom umwandeln können.

Grafische Darstellung des Aufbaus einer Einzelsolarzelle und einer Tandemsolarzelle sowie deren Lichtspektrennutzung.

Foto: Epoch Times; erstellt nach UCL NEWS und gemeinfrei

Erst im Frühling dieses Jahres haben Schweizer Forscher auf diese Art eine neue Solarzelle entwickelt, die eine hohe Effizienz und skalierbare Fertigung kombiniert. Der Zellaufbau ist dreiteilig. Die untere Zelle besteht aus Silizium. Darauf sind als mittlere und obere Zellschicht dünne Perowskitfilme aufgetragen.
Die beiden oberen Perowskitschichten, nutzen sie das kurzwellige Licht, also eher die Blau- und Grünanteile. Das Silizium hingegen verwendet eher die langwelligen roten Lichtanteile.

Fast die Hälfte des Sonnenlichts in Strom umgewandelt

Die neue Zelle erreicht laut dem entsprechenden Papier beim Wissenschaftsportal „Nature“ einen zertifizierten Wirkungsgrad von 30,02 Prozent. Damit übertrifft es den früheren Rekordwert für jene Anordnung von 27,1 Prozent. Zugleich besteht noch Luft nach oben. Theoretisch wäre mit solchen Zellen ein Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent möglich.
Der bisherige Wirkungsgradweltrekord liegt sogar bei 47,6 Prozent – aufgestellt von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE.
Im Mai 2022 haben sie diese hohe Effizienz unter optimierten Bedingung im Labor mit einer Vierfachsolarzelle, über 600-facher Konzentration des Sonnenlichtes und einer neuen Antireflexbeschichtung erreichen können. Dennoch ist der Wert beachtenswert. Das bedeutet, dass diese Zellen 1.000 Watt Lichtleistung in 476 Watt elektrische Leistung umwandeln können.

Dank verbesserter Antireflexionsschichten erzielten Forscher des Fraunhofer ISE den bisher höchsten Wirkungsgrad einer Solarzelle in Höhe von 47,6 Prozent.

Foto: Fraunhofer ISE

Einen ähnlich hohen Wirkungsgrad mit 46 Prozent erreichte das Fraunhofer-Institut bereits im Jahr 2014. Auch hier verwendeten die Forscher Mehrfachsolarzellen, jedoch ohne Perowskitstruktur. Es handelte sich um eine Vierfachsolarzelle, wobei jede Teilzelle exakt ein Viertel der Lichtphotonen im Wellenlängenbereich zwischen 200 und 1750 nm in elektrische Energie umwandelte. Der damalige Rekordwert wurde bei einer rund 500-fachen Konzentration erzielt.
Darüber hinaus schafften die Forscher in den vergangenen Jahren weitere Rekordwirkungsgrade unter der 40-Prozent-Marke. So etwa 2021 mit einer Dreischichtsolarzelle mit einer Effizienz von 35,9 Prozent, allerdings ebenfalls ausschließlich auf Siliziumbasis.
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Noch niedrigere Preise möglich

Auch bei der Kostenfrage soll Perowskit gegenüber Silizium einen Vorteil haben. Bei herkömmlichen Standard-Siliziummodulen kostet das Watt an Nennleistung (Wp) 0,13 bis 0,22 Euro.
Aktuell sind Tandemzellen noch 10 bis 30 Prozent teurer pro Wp. Allerdings ist praktisch jede neue Technologie vom Übergang von der Entwicklungs- zur Marktphase vergleichsweise teuer.
Durch einfachere Herstellung und günstigen Materialaufwand dürften sie aber auf lange Sicht die Siliziummodule im Preis deutlich unterbieten. Das sollte spätestens mit der Serienproduktion und weiteren technischen Fortschritten erfolgen. Die Stromgestehungskosten können dadurch nochmals günstiger werden.

Herausforderung Haltbarkeit

Doch bei den Perowskitmodulen gibt es noch technische Probleme zu lösen, besonders was Materialstabiliät und Haltbarkeit angeht. Als Schwachstellen sind hier verschiedene Wettereinflüsse wie Feuchtigkeit, Oxidation – sprich die Reaktion mit Sauerstoff –, UV-Strahlung und Hitze zu nennen.
Der Grund für das Stabilitätsproblem liegt in der Atomstruktur des Perowskitkristalls. Der organisch-anorganische Aufbau, der diesem Material seine starken elektronischen Eigenschaften verleiht, ist auch die Erklärung seiner Zerbrechlichkeit.
So hat das ursprüngliche Material – Methylammonium-Blei-Iodid – eine entscheidende Schwäche: Das Methylammonium-Kation ist flüchtig und entweicht dem Kristallgitter bei höheren Temperaturen. Das führt zu einem schnellen Leistungsrückgang.
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Ein weiterer Nachteil ist der giftige Bleigehalt. Aus diesem Grund suchen Forscher bereits nach ungiftigen Alternativen. Bisher am weitesten fortgeschritten ist diesbezüglich die Zinnhalogenid-Perowskit-Familie. Ebenso konnten Forscher die Schichtung verbessern.
Mit den bisher erreichten Verbesserungen und weiteren Optimierungen strebt das deutsche Solarunternehmen Oxford PV eine 25-jährige Betriebsgarantie für seine Tandemmodule an. Dies entspricht der heute üblichen Lebensdauer von Siliziummodulen.

Wann können wir sie kaufen?

Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen haben bereits den Sprung vom Labor auf den Markt geschafft – zumindest in einem ersten Schritt. Im September 2024 hat Oxford PV die ersten Tandemsolarmodule mit einem Wirkungsgrad von 24,5 Prozent an US-Versorgerkunden ausgeliefert.
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Weitere Großproduktionen und Auslieferungen stehen noch aus. Bisher haben sich nur rund ein Dutzend Marktakteure mit der neuartigen Perowskittechnologie beschäftigt. Neben dem Versand von Oxford PV gibt es vereinzelte Produktionen, Forschungen und Partnerschaften. Erste Pilotlinien laufen.
Somit befindet sich der Marktanteil von Perowskitsolarmodulen noch bei nahezu 0 Prozent. Bis 2031 soll dieser allerdings schon auf rund 31 Prozent anwachsen. Im vergangenen Jahr dominierten Solarmodule mit monokristallinem Silizium mit einem Marktanteil von 86,1 Prozent. Der Rest entfällt vor allem auf Module auf Basis von polykristallinem Silizium.

Vorteile und Nachteile von Perowskitsolarzellen im Vergleich zu Siliziumsolarzellen

Vorteile:
    • Leichtere und kompaktere Module, somit bessere Integrationsmöglichkeiten in Gebäuden und Fahrzeugen denkbar.
    • Materialbedingt hat Perowskit einen niedrigeren Wirkungsgrad als Silizium. Dank der Schichtung können Perowskitmehrfachzellen aber eine höhere Gesamteffizienz erzielen.
    • Hohes Lichtabsorptionsvermögen. Die Zellen reflektieren weniger Sonnenlicht, sodass ein höherer Anteil des Lichts zur Umwandlung in Strom zur Verfügung steht.
    • Einsparung von Energie und Material, dadurch günstigere Herstellung absehbar.
Nachteile:
    • Erste Materialien waren empfindlich gegen Feuchtigkeit, Sauerstoff, UV-Strahlung und Hitze. Hier ist weitere Entwicklungsarbeit nötig.
    • Effizienzverlust von bis zu 10 Prozent in den ersten Monaten.
    • Giftige und umweltschädliche Bestandteile wie Blei erfordern mehr Forschung hinsichtlich alternativer Elemente und bleifreier Varianten.
    • Bisher kaum auf dem regulären Markt vorhanden, in der Raumfahrt aber bereits etabliert.
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Frisch, tiefgekühlt oder aus der Dose: Nährstoffe in Obst und Gemüse

In Kürze:

  • Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung empfiehlt, täglich fünf Portionen Obst und Gemüse zu essen.
  • Nicht nur frische und saisonale Lebensmittel sind nährstoffreich, auch in Tiefkühlprodukten, Konserven und Trockenware stecken gesundheitsfördernde Vitalstoffe, manchmal mehr als in frisch gekauften Früchten.
  • Welche Lebensmittel eignen sich für welche Lagerung und Verarbeitung am besten als Alternative zu frischen, saisonalen Produkten?
 
Gemüse und Obst liefern wichtige Nährstoffe wie Vitamine, Mineralien, sekundäre Pflanzenstoffe und Ballaststoffe. Der regelmäßige Verzehr von Obst und Gemüse wird mit einem verminderten Risiko für ernährungsmitbedingte Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Bluthochdruck, Demenz und verschiedene Krebserkrankungen sowie einer frühzeitigen Sterblichkeit in Verbindung gebracht. Wer regelmäßig auf eine ausreichende Zufuhr achtet, kann damit seine Gesundheit langfristig fördern.
Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung empfiehlt daher im Rahmen ihrer 10 Regeln für vollwertiges Essen und Trinken, fünf Portionen Gemüse und Obst täglich zu essen. Dies entspricht rund 400 Gramm (drei Portionen) Gemüse und 250 Gramm (zwei Portionen) Obst pro Tag.
Laut Robert Koch-Institut (RKI) konsumierte im Jahr 2019 jedoch lediglich ein Drittel der Erwachsenen in Deutschland überhaupt täglich Gemüse und Obst, geschweige denn in den empfohlenen Mengen.
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Es stellt sich daher die Frage, wie sich diese fünf Portionen am besten in den Alltag integrieren lassen. Sollte ausschließlich frisches Obst und Gemüse verzehrt werden oder sind auch Tiefkühlprodukte, Konserven und Trockenprodukte eine sinnvolle Alternative? Und wie unterscheiden sich diese Varianten hinsichtlich ihres Nährstoffgehalts?

Obst und Gemüse – frisch, reif und saisonal am besten

Grundsätzlich gilt: Frisch, reif und saisonal geerntetes Gemüse und Obst aus ökologischem Anbau weist den höchsten Gehalt an Vitaminen, sekundären Pflanzen- und Aromastoffen auf. Ideal sind Lebensmittel aus dem eigenen Garten, der Einkauf auf einem Wochenmarkt, direkt beim Erzeuger oder im Hofladen eines Bio-Landwirtes. Oft werden die Lebensmittel am Vorabend oder am Morgen des Verkaufstags geerntet. Werden sie anschließend im Kühlschrank gelagert, bleiben die Nährstoffverluste auch nach einigen Tagen gering.
Anders sieht es häufig bei Obst und Gemüse aus dem Supermarkt aus. Durch lange Transportwege, Zwischenlagerung im Handel und zu Hause im Kühlschrank können zwischen Ernte und Verbrauch ein bis zwei Wochen vergehen. In dieser Zeit nimmt vor allem der Gehalt an licht- und sauerstoffempfindlichen Vitaminen, wie Vitamin C, B-Vitamine und sekundäre Pflanzenstoffe ab, wobei die Menge des Verlusts stark vom jeweiligen Lebensmittel selbst sowie von der Lagertemperatur und -umgebung abhängig ist.
Gut lagerfähige Lebensmittel wie Äpfel, Birnen, Wurzel- oder Kohlgemüse verlieren bei sachgerechter Lagerung deutlich weniger Nährstoffe als empfindliche Sorten wie Spinat, Blattsalate oder Beeren. So beträgt der Vitamin-C-Verlust bei Spinat nach einer Woche Lagerung im Kühlschrank bis zu 50 Prozent und bei Karotten nur etwa 10 Prozent.
Hinzu kommt, dass insbesondere exotische Früchte häufig unreif geerntet werden. Dies wirkt sich nicht nur negativ auf den Geschmack, sondern auch auf den Gehalt an wertvollen Nähr- und Vitalstoffen aus.
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Tiefkühlprodukte – oft eine gute Alternative

Tiefgekühltes Obst und Gemüse stellt in vielen Fällen eine gute Alternative zu Frischware aus dem Supermarkt dar – in manchen Fällen kann es sogar eine bessere Wahl sein. Der Nährstoffgehalt entspricht meist dem von frischem Gemüse oder Obst, das eine Woche im Kühlschrank gelagert wurde. Da tiefgekühlte Lebensmittel in der Regel direkt nach der Ernte verarbeitet und schockgefrostet werden, bleiben viele Vitamine, Mineralstoffe und sekundäre Pflanzenstoffe weitgehend erhalten.
Vor dem Einfrieren wird Gemüse jedoch oft blanchiert, um Enzyme zu deaktivieren und die Haltbarkeit zu verbessern. Dabei gehen hitze- und wasserempfindliche Vitamine wie Vitamin C und Folat, aber auch die Vitamine B1, B5 und B6 teilweise verloren. Zudem können wasserlösliche Mineralstoffe wie Kalium und Magnesium teilweise in das Blanchierwasser über- und verloren gehen.
Dennoch entspricht beispielsweise der Nährstoffgehalt von Tiefkühlspinat meist dem von frischem Spinat aus dem Supermarkt und kann ihn sogar übertreffen. Sein Vorteil besteht darin, dass die verbleibenden Nährstoffe nach dem Einfrieren über einen langen Zeitraum relativ gut erhalten bleiben, während frischer Spinat durch Transport und Lagerung kontinuierlich an Nährstoffen verliert.
Auch bei exotischen Früchten wie Mango, Maracuja und Ananas sowie bei Beeren kann das Einfrieren Vorteile bringen. Die Früchte werden reif geerntet und direkt im Ernteland schockgefrostet. Dadurch bleiben Aroma, Vitamine und sekundäre Pflanzenstoffe wie Anthocyane, die vorwiegend in Beeren vorkommen, besser erhalten. Ein weiterer Vorteil von Tiefgekühltem ist eine lange Haltbarkeit, schnelle Verfügbarkeit und häufig auch ein günstiger Preis.
Zwar entstehen durch den Gefrierprozess höhere Energiekosten – diese können sich aber durch weniger Lebensmittelverschwendung teilweise ausgleichen. Die Lagerung duldet keine lückenhafte Kühlung und erfordert daher die ständige Verfügbarkeit von Strom.
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Nachteilig beim Einfrieren wirkt sich die Bildung von Eiskristallen aus. Sie beschädigen die Zellstruktur von Lebensmitteln und lassen sie nach dem Auftauen matschig werden. Dabei können Zellsaft und darin enthaltene wasserlösliche Nährstoffe austreten, wodurch es zu gewissen Nährstoffverlusten kommen kann.

Konserven und Eingemachtes – lange haltbar und kostengünstig

Beim Einmachen werden Lebensmittel je nach Säuregehalt auf etwa 80 °C bis 120 °C erhitzt. Dabei werden insbesondere hitzeempfindliche Vitamine (C, B1, B5, B6) und sekundäre Pflanzenstoffe teilweise abgebaut. Je kürzer die Erhitzungsdauer und je niedriger die Temperatur, desto mehr dieser Stoffe bleiben erhalten, was heute bei industriellen Konservierungstechniken häufig beachtet wird.
Obst und säurehaltige Früchte können beispielsweise bereits bei Temperaturen um 80 °C sicher konserviert werden. Hülsenfrüchte und säurearmes Gemüse müssen dagegen deutlich stärker erhitzt werden, um gesundheitsschädliche oder tödliche Bakterien wie Clostridium botulinum zuverlässig abzutöten.
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Der ernährungsphysiologische Wert von Hülsenfrüchten beruht vor allem auf ihrem hohen Eiweiß- und Ballaststoffgehalt. Beide bleiben durch das Einkochen nahezu vollständig erhalten. Auch Mineralstoffe und Spurenelemente sind weitgehend hitzestabil. Ein Teil kann jedoch in die Einmach- oder Kochflüssigkeit übergehen.
Abgesehen vom Verlust der hitzeempfindlichen Vitalstoffe sprechen mehrere Vorteile für Konserven: Sie sind bei Raumtemperatur für längere Zeit haltbar, preisgünstig, jederzeit verfügbar und schnell zubereitet. Mineralstoffe, Spurenelemente, Ballaststoffe sowie das Eiweiß von Hülsenfrüchten bleiben größtenteils erhalten. Und sie lassen sich selbst herstellen.
Beim Kauf von Obst- und Gemüsekonserven sollten einige Aspekte beachtet werden: Obstkonserven enthalten oft zugesetzten Zucker. Um diesen zu reduzieren, ist es besser, Produkte zu wählen, die im eigenen Saft und ohne Zuckerzusatz eingemacht sind. Gemüsekonserven weisen häufig einen hohen Salzgehalt auf. Auch hier ist es besser, zu Produkten ohne Salzzusatz zu greifen. Durch das Abspülen des Gemüses vor dem Essen kann der Salzgehalt ebenfalls reduziert werden.
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Getrocknetes Obst- und Gemüse

Beim Trocknen geht ein Großteil des sauerstoffempfindlichen Vitamin C verloren, ebenso ein Teil der B-Vitamine und Folat sowie sekundäre Pflanzenstoffe. Mineralien und Spurenelemente sowie Ballaststoffe bleiben hingegen erhalten.
Durch den Wasserentzug sind getrocknete Lebensmittel zwar sehr lange haltbar, allerdings konzentriert sich dadurch auch der Zucker- und Kaloriengehalt. Daher sollten Trockenfrüchte nur in kleinen Portionen genossen werden.
Getrocknete Hülsenfrüchte wie Linsen, Kichererbsen und Bohnen sind getrocknet ebenso sehr lange haltbar und im Vergleich zu Konserven sehr preisgünstig. Beachtet werden sollte jedoch ihre längere Einweich- und Zubereitungszeit.
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Die richtige Mischung

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass nicht nur frisch geerntetes und saisonales Obst und Gemüse den Körper mit wichtigen Nährstoffen versorgt. Auch Tiefkühl-, Dosen- und Trockenprodukte sowie gelagerte Lebensmittel enthalten zahlreiche Vitalstoffe, die die Gesundheit fördern.
Denn während hitze-, licht- und sauerstoffempfindliche Vitamine wie Vitamin C, Folat und einige B-Vitamine sowie ein Teil der sekundären Pflanzenstoffe zwar je nach Verarbeitung teilweise verloren gehen, bleiben Mineralstoffe, Spurenelemente, Ballaststoffe und pflanzliches Eiweiß weitgehend erhalten. Auch fettlösliche Vitamine wie Vitamin A, Vitamin E und Vitamin K sowie Beta-Carotin sind vergleichsweise stabil.
Entscheidend ist vor allem, täglich eine bunte Vielfalt an Obst und Gemüse in die Ernährung zu integrieren – sowohl frisch als Rohkost als auch in schmackhaften Gerichten, die mit frischen, tiefgekühlten, konservierten oder getrockneten Zutaten zubereitet werden können.
Welche Lebensmittel sind für welche Lagerung oder Verarbeitung am besten geeignet? Die nachfolgende Aufstellung gibt einen Überblick:
Am besten frisch verzehren, nur kurz lagern:

Gurken, Blattsalate, Zucchini, Melonen

Gut geeignet für eine längere Lagerung als Frischware (Kühlschrank oder kühler Keller):

Karotten, Rote Bete, Knollensellerie, Pastinaken, Kürbis, Rotkohl, Weißkohl, Äpfel, Birnen, Kohlrabi, aber auch Zitronen und Orangen

Besser tiefgefroren als längere Zeit frisch gelagert:

Spinat, Mangold, Brokkoli, Blumenkohl, Erbsen, Grüne Bohnen, Paprika, Beeren, Kirschen, Aprikosen, Pflaumen, exotische Früchte wie Ananas, Maracuja, Papaya, Mango

Geeignet zum Einkochen, Fermentieren:

Hülsenfrüchte, Tomaten (die Verfügbarkeit von Lycopin erhöht sich dabei), Quitte, Beeren, Aprikosen, Pflaumen, Weißkohl (Sauerkraut)

Ideal zum Trocknen:

Hülsenfrüchte, Äpfel, Birnen, Pflaumen, Aprikosen, Feigen, Datteln, Weintrauben (Rosinen)