Tag: Perowskit

 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.