Warum Perowskit-Solarzellen die PV-Zukunft sind

Neben Windkraft an Land gehören neue Photovoltaik-Großkraftwerke zu den günstigsten Technologien der erneuerbaren Energieerzeugung. Auch im nicht immer so sonnigen Deutschland führe deshalb kein Weg an der Solarenergie vorbei, findet Prof. Dr. Jan Christoph Goldschmidt: „Einfach weil sich zeigt, dass wir die Photovoltaik viel schneller ausbauen können als die Windkraft. Sie hat weniger Akzeptanzprobleme und im Prinzip kann jeder seinen eigenen Beitrag leisten.“ Goldschmidt leitet die Arbeitsgruppe solare Energiekonversion an der Universität Marburg. „Ich gehe davon aus, dass die Photovoltaik weltweit die wichtigste Energiequelle der Menschheit werden wird. Zumindest wenn wir uns entscheiden, kosteneffizienten Klimaschutz zu betreiben. Gefolgt von Wind wird Photovoltaik global künftig den größten Anteil des Strombedarfs decken“, erwartet er.

Welchen Wirkungsgrad haben Solarzellen mit Perowskit?

Dach- wie Freiflächenanlagen sind aktuell vor allem mit robusten und langlebigen Modulen auf Basis von Silizium bestückt. Neue Siliziumzellen erreichen mittlerweile Wirkungsgrade von 20 bis 26 Prozent. Die physikalische Obergrenze liegt bei etwa 29 Prozent. Doch diese Grenze lässt sich verschieben - mit Perowskit-Solarzellen. Sie sind eine relativ neue Erfindung, an der erst seit 2009 gearbeitet wird. Seitdem haben Perowskit-Zellen jedoch eine deutliche Effizienzsteigerung erfahren: Während die ersten Perowskit-Solarzellen einen Wirkungsgrad von nur vier Prozent aufwiesen, erreichten Forschende des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) einen Wirkungsgrad von 29,8 Prozent.

Erreicht wurde das mit sogenannten Tandemzellen. Das sind Siliziumzellen unter einer hauchfeinen Schicht aus sogenannten Perowskitzellen. Im Juni 2022 stellten Schweizer Forschende den Wirkungsgradrekord von Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen des HZB sogar ein. Das EPFL- und CSEM-Team erhöhte auf 31,25 Prozent, wurde aber kurz darauf wieder vom HZB überholt (32,5 Prozent), das den Weltrekord schon wenig später im April 2023 an das KAUST Photovoltaics Laboratory in Saudi-Arabien abgeben musste. Die dort in Entwicklung befindlichen Tandem-Solarzellen erreichen im Labor mittlerweile einen Wirkungsgrad von stolzen 33,7 Prozent.

Typische Perowskit-Tandemsolarzellen sind:

• Perowskit-Silizium-Solarzellen
• Perowskit-CIGS-Solarzellen (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Solarzellen)
• Perowskit-Perowskit-Solarzellen

„Auf die hervorragenden Wirkungsgrade muss nun weitere Forschung und Entwicklung aufbauen, die eine Skalierung auf größere Flächen erlaubt und zudem gewährleistet, dass die neuen Zellen über eine normale Lebensdauer hinweg eine stabile Energieausbeute auf unseren Dächern und anderswo erbringen können“, sagt CSEM-Forscher Quentin Jeangros.

Perowskit-Solarzellen halten auch dem Praxistest stand

Erste Erfolge sind bereits in Sicht. Während sich Wirkungsgrad-Rekorde im Labor auf Zellen im Mini-Format beziehen – Laborzellen sind selten größer als wenige Quadratzentimeter – meldete Oxford PV, ein in Bandenburg ansässiges Spin-Off der University of Oxford, im Frühjahr 2023 einen neuen Weltrekord beim Wirkungsgrad von Solarzellen in marktüblichen Abmessungen (hier 258,15 Quadratzentimeter). Die neue Tandem-Zelle wandelte laut Oxford PV 28,6 Prozent der auftreffenden Sonnenenergie in Strom. „Die Rekordzellen werden auf derselben Produktionslinie gefertigt wie unsere kommerziellen Solarzellen, die einen Wirkungsgrad von 27 Prozent aufweisen“, berichtet CTO Chris Case.

Ziel sei es nun, sie für die Integration in Solarmodule vorzubereiten. „In diesem Jahr haben wir dahingehend bereits erhebliche Fortschritte gemacht und stehen kurz davor, die Tandemsolarzellen an unsere Modulpartner auszuliefern.“

Wie sich Perowskite und Silizium in PV-Modulen ergänzen

Was Perowskite zu idealen Partnern für Siliziumzellen macht, sind

• vergleichbare Wirkungsgrade,
• die Option auf Transparenz und
• dass sie spektrale Anteile des Sonnenlichtes absorbieren können, aus denen Siliziumzellen keinen Strom gewinnen.

Wie Silizium liegt Perowskit in kristalliner Struktur vor. Anders als Silizium sind Perowskite Ionenkristalle und damit wasserlöslich. Sie müssen eingekapselt werden, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen. „Dieses Problem ist aber mittlerweile gelöst und für die noch offenen Fragen werden sich in absehbarer Zeit Antworten finden“, ist Goldschmidt zuversichtlich.

Wie werden Perowskit-Solarzellen hergestellt?

Für eine Herstellung im industriellen Maßstab zeichnen sich zwei Routen ab: Perowskit-Schichten lassen sich nass-chemisch drucken und durch Vakuum-Verfahren wie Verdampfen oder Sputtern auftragen. „Drucken wäre wahrscheinlich kostengünstiger, Vakuum-Verfahren lassen sich besser kontrollieren. Welche Verfahren oder Kombinationen von Verfahren sich am Ende zur Herstellung von Perowskiten durchsetzen werden, ist noch offen“, berichtet er.

Herstellungsverfahren, typische Elektroden und Transportschichten sind Eigenschaften, die Perowskit-Solarzellen mit einem anderen Hoffnungsträger teilen: organische Solarzellen auf Kohlenstoffbasis. Theoretisch sind auch Tandemzellen aus Perowskit und organischen Zellen gut vorstellbar. Sie könnten sich auf lange Sicht sogar als konkurrenzfähig zu Siliziumzellen erweisen, denkt Dr. Christian Sprau vom Lichttechnischen Institut des KIT in Karlsruhe. „Aber das spielt wirklich erst in der Zukunft eine Rolle, wenn sie sich ebenso kostengünstig herstellen lassen wie Siliziumzellen, einen konkurrenzfähigen Wirkungsgrad im Solarmodul aufweisen und eine vergleichbare Langzeitstabilität gewährleistet ist“, schränkt er ein. „Ihren Weg in den Markt wird organische Photovoltaik (OPV) über neue Anwendungen finden, die mit den klassischen Siliziumsolarzellen nicht bedient werden können“, erwartet er.

Kritik an Perowskit-Solarzellen

Traditionelle Perowskit-Solarzellen nutzen Blei, weil es bisher das einzige Element ist, mit dem sich bezüglich der Bandstruktur, der Stabilität und der Qualität der Kristalle optimale Verbindungen und damit hohe Wirkungsgrade erzielen lassen. Jedoch ist für eine umweltfreundliche Entwicklung von Solarzellentechnologien die Nutzung giftiger Stoffe wie Blei ein No-Go.

Aus diesem Grund konzentriert sich die Forschung, etwa durch das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) oder des HZB, darauf, Perowskit-Solarzellen zu entwickeln, die mit einer Zinnhalogenid-Beschichtung arbeiten. Sie gelten aktuell als beste Alternative zu den bleihaltigen Solarzellen, sind aber im Vergleich zu diesen deutlich weniger effizient und noch instabiler, da Zinn zur Oxidation und unkontrollierten Kristallisation neigt. Forscher des HZB haben nun Fluoride als Additive ausgemacht, die diesen Prozess verhindern sollen.

Christian Sprau Linked In leitet am KIT eine Nachwuchsgruppe, die zu semitransparenten organischen Solarzellen forscht. „Organische Solarzellen zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sehr präzise einstellbar ist, welche Lichtanteile absorbiert werden und welche passieren können“, erklärt er. Das und die Möglichkeit, organische PV-Schichten auch auf flexible und sehr leichte Trägermaterialien wie Folien zu drucken, erschließt Flächen für die solare Stromerzeugung, die bislang davon ausgenommen waren:

• Fenster,
• gewölbte Fassadenelemente,
• Karosserieteile von Elektrofahrzeugen,
• Gewächshäuser,
• landwirtschaftliche Flächen oder Dächer, deren Statik für die deutlich schwereren Silizium-Module nicht ausgelegt ist.

„Fenster müssen nur den Anteil des Sonnenlichts passieren lassen, den das menschliche Auge wahrnimmt. ‚Ernten’ wir im unsichtbaren Bereich des Spektrums Energie, fällt das gar nicht auf“, sagt Sprau.

Ähnlich sieht es in Landwirtschaft und Gartenbau aus. Hier reicht es im Grunde, wenn nur die Wellenlängen des Lichts zu den Pflanzen durchdringen, die für das Pflanzenwachstum nötig sind. Große Flächen ließen sich so doppelt nutzen – zur Produktion von Nahrungsmitteln und zur Stromerzeugung. Besonders interessant sei dieses Konzept für Gewächshäuser, findet Sprau: „Gewächshäuser werden in Zukunft eine sehr viel größere Rolle für die Erzeugung von Nahrungsmitteln spielen als bisher. Vor allem wenn die Aridität durch immer längere Dürreperioden zunimmt.“

Organische Solarzellen erreichen noch höhere Wirkungsgrade

Im Grunde sind organische Solarzellen das Gegenstück zu organischen Leuchtdioden (OLEDs), die Strom in Licht umwandeln. Im Labor kommen organische Solarzellen auf Wirkungsgrade um 19 Prozent. Doch das ist erst der Anfang. Das Dresdner Unternehmen Heliatek produziert seit 2019 organische Solarfolien in Serie – per thermischer Verdampfung unter Vakuum in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren.

Das vorhandene Potenzial der organischen Photovoltaik sei bei weitem noch nicht ausgeschöpft, so das Unternehmen: „Im Gegensatz zu der marktbeherrschenden Siliziumtechnologie sind wir noch weit von der Obergrenze des Wirkungsgrades entfernt, der für unsere organische Schicht auf über 40 Prozent geschätzt wird.“