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Mehr Power aus der Sonne

Das Wundermaterial der Photovoltaik

Von Manfred Lindinger
 - 12:15
In Deutschland kommt werden bereits sieben Prozent des elektrischen Stroms von Photovolatik-Anlagen erzeugt. Tendenz steigend. zur Bildergalerie

Die Sonne ist eine schier unerschöpfliche Energiequelle. Die auf die Erde treffenden Sonnenstrahlen geben pro Quadratmeter eine Leistung von etwa 1000 Watt ab - abhängig vom Einfallswinkel und der geographischen Lage. Könnte man nur einen Bruchteil davon anzapfen, ließen sich viele Energiefragen lösen, so der Traum. Zwar prägen die bläulich schimmernden Solarmodule aus Silizium auf Dächern und Feldern vielerorts schon das Stadt- und Landschaftsbild. Doch die Photovoltaik spielt bei der Energiegewinnung noch immer eine untergeordnete Rolle. Sie deckt gegenwärtig erst knapp zwei Prozent des weltweiten Stromverbrauchs. In Deutschland, wo man sich die Energiewende auf die energiepolitische Agenda geschrieben hat, beträgt der Anteil bereits sieben Prozent. Tendenz steigend.

Doch die Entwickler von Solarzellen stecken in einer Zwickmühle: Sie wollen einerseits möglichst viel Sonnenlicht in nutzbaren Strom umwandeln, andererseits die Kosten für Materialien und Herstellung der Solarzellen möglichst niedrig halten. Zwei Bestrebungen, die sich nur schwer unter einen Hut bringen lassen. Doch es gibt Hoffnung. Große Erwartung setzt die Branche in ein kristallines Material, das in den vergangenen Jahren eine erstaunliche Entwicklung durchlaufen hat. Die Rede ist von der Materialklasse der Perowskite. Dieses kristalline metall-organische Verbindung, die auf bleihaltige Ammonium-Halogenide basiert und die gleiche kubische Kristallstruktur wie das Mineral Kalziumtitanat aufweist, kann Sonnenlicht bereits fast so effizient in elektrische Energie umwandeln wie Silizium, ist leicht verfügbar und einfach zu verarbeiten. Für Materialforscher könnten Perowskit-Solarzellen zu einer ersten Konkurrenz für die Solarzellen aus Silizium werden, die den Markt beherrschen.

Sensationelle Entwicklung des Wirkungsgrades

Seit mehr als 180 Jahren bekannt, werden keramische Oxide mit einer kubischen Perowskit-Struktur schon länger für die verschiedensten technischen Anwendungen genutzt. Oxid-Verbindungen wie Titanate beispielsweise haben ferroelektrische, halbleitende oder piezoelektrische und supraleitende Eigenschaften. Lange Zeit kam aber keiner auf die Idee, metall-organische Verbindungen mit einer Perowskit-Struktur in der Photovoltaik zu nutzen.

Das änderte sich erst vor etwa neun Jahren, als japanische Forscher um Tsutomu Miyasaka von der Toin-Universität in Yokohama aus dem Material erstmals eine funktionierende Solarzelle bauten. Der Prototyp erreichte immerhin einen Wirkungsgrad von fast vier Prozent. Allerdings löste sich das Material bereits nach wenigen Minuten auf. Der Grund war eine in der Zelle verwendetes elektrolytisches Lösungsmittel. Doch schon vier Jahre später präsentierten Forscher um Henry J. Snaith von der University of Oxford eine deutlich robustere Perowskit-Zelle mit einem Wirkungsgrad von 15 Prozent. Weniger später konnte die Lichtausbeute von anderen Gruppen auf 20 Prozent gesteigert werden. Der aktuelle Rekord beläuft sich auf 22,7 Prozent und wird von chinesischen Wissenschaftlern gehalten. Die Zelle übertrifft damit die Leistungsfähigkeit von herkömmlichen Dünnschichtsolarzellen aus Cadmium-Tellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS-Zellen). In der Photovoltaik gilt eine solche rasante Effizienzsteigerung, wie sie man sie bei Perowskit-Solarzellen erlebt, als Sensation. Bei Siliziumsolarzellen bedurfte es für einen vergleichbaren Fortschritt ein gutes Vierteljahrhundert an Entwicklungsarbeit.

Und es gibt noch Luft nach oben. Wirkungsgrade von mehr als 25 Prozent scheinen durchaus möglich zu sein. Damit würden Perowskit-Zellen schon fast an die leistungsfähigsten Silizium-Solarzellen herankommen, die derzeit 26,7 Prozent des Sonnenlichts anzapfen können. Für Silizium ist damit allerdings schon fast das Ende der Fahnenstange erreicht. Das theoretische Maximum liegt bei 29 Prozent. Bei Perowskit-Solarzellen ist der theoretische maximal erreichbare Wert deutlich höher. Zudem haben die Perowskit-Zellen den Vorteil, dass sie sich durch Bedampfen oder Drucken als extrem dünne Schichten ohne großen Aufwand auf Oberflächen aufbringen lassen. Die Schichtdicke der Perowskite misst nur 300 bis 400 Nanometer. Man benötigt deshalb im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen aus kristallinem Silizium nur wenig Material.

Zudem müssen Perowskite nicht so perfekt rein sein wie kristallines Silizium. Fehlstellen und Verunreinigungen durch Fremdatome stören nicht groß die Lichtabsorption des Materials und die Diffusion der durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträger - Elektronen und positiv geladene Löcher. Die Strecke, die die Ladungsträger bis zu den Elektroden ungestört zurücklegen, ist bei Perowskiten mit einigen hundert Nanometern vergleichsweise groß. Dank der langen Difussionswege gelangen immer genügend Ladungsträger zu den Elektroden. Das erklärt auch die hohen Wirkungsgrade des Materials.

Dass Perowskit-Solarzellen die Silizium-Bauteile eines Tages verdrängen könnten, hält Eva Unger, Nachwuchsforscherin am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, für nicht sehr wahrscheinlich. Dazu sei die Silizium-Technik viel zu etabliert. Zudem sei der Preis der Silizium-Module in den vergangenen Jahren so rasant gesunken, dass man hier nicht wirklich konkurrieren könne. Deshalb haben viele Wissenschaftler, darunter auch Unger, begonnen, Silizium- und Perowskit-Zellen miteinander zu kombinieren, indem man beide Materialien etwa übereinanderstapelt. Der Vorteil: Das Spektrum des einfallenden Sonnenlichts wird dadurch besser ausgenutzt. Während Silizium eher den langwelligen infraroten Anteil absorbiert, filtert das Perowskit, je nach chemischer Zusammensetzung, effizient den sichtbaren Bereich heraus.

Rekorde über Rekorde

Dass dieses Konzept bereits Erfolg gebracht hat, haben vor kurzem gleich mehrere Gruppen demonstrieren können. Auf einer Fachkonferenz im Juni auf Hawaii präsentierten gleich drei Forschergruppen Tandem-Solarzellen mit beachtlichen Wirkungsgraden. So weist das Hybrid-System, das von Forschern des Helmholtz-Zentrums Berlin, der Universität Oxford und der Firma „Oxford PV“ entwickelt wurde, eine Effizienz von 25,2 Prozent auf. Auf den gleichen Wert kommt die Tandem-Zelle von Schweizer Wissenschaftler der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne und des PV-Lab in Neuchâtel. Die dritte effiziente Zelle haben Wissenschaftler um den Nachwuchsforscher Steve Albrecht des Helmholtz-Zentrums Berlin für Erneuerbare Energien entwickelt. Sie kann mit 25 Prozent gut konkurrieren. Alle Systeme waren von unabhängigen Instituten, etwa dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, vorher zertifiziert worden.

Und vor kurzem haben die Forscher von „Oxford PV“ eine neue Rekordmarke gesetzt. Sie erzielten einen Wert von 27,3 Prozent mit einer Tandem-Solarzelle. Allerdings sind all diese Systeme mit einer Absorptionsfläche von einem Quadratzentimeter für praktische Anwendungen noch zu klein. Für die Praxis benötigt man deutliche größere Zellen mit den Maßen eines typischen Siliziumwafers.

Der Weg zur Langzeitstabilität

Die vom Bundesforschungsministerium geförderte Nachwuchsgruppe von Eva Unger trägt zu dem Forschungsziel bei, großflächige Tandem-Solarzellen zu produzieren und sie zu größeren Modulen zu verschalten. Dazu bedrucken sie einkristalline Siliziumwafer mit flüssigen Perowskit-Lösungen. Eine Schwierigkeit, die es zu lösen gilt, ist, den Wirkungsgrad dabei möglichst hoch zu halten. Denn je großflächiger eine produzierte Solarzelle ist, desto höher sind auch die Einbußen beim Wirkungsgrad.

Wann erste Perowskit-Solarzellen auf den Dächern schimmern werden? Für Unger könnte das schon in wenigen Jahren sein, wenn die Entwicklung weiter so rasant fortschreitet wie bisher. Mitarbeiter von Oxford PV rechnen damit sogar schon Ende 2019. Auch die Stabilität der Perowskit-Zellen, bislang eine Schwachstelle, scheint man allmählich verbessern zu können. Unter Lichteinfall und Feuchtigkeit zersetzt sich das Material, das chemisch gesehen ein Salz ist, wodurch die Stromausbeute der Solarzelle sinkt.

Schweizer Forscher um Michael Grätzel, einer der Pioniere der Perwowskit-Solarzellen, haben dank einer Schutzschicht aus Graphen um die Goldelektroden und einer Materialoptimierung eine Solarzelle von der Größe 10 mal 10 Zentimeter gebaut, die eine Lebensdauer bereits von einem Jahr aufweist, ohne dass ihre Effizient nachlässt. Vor kurzem belief sich die Stabilität der Zellen noch auf nur wenige Tage. Das Ziel sind Lebenserwartungen von 20 bis 25 Jahren - eine Anforderung, wie sie typischerweise an jedes marktfähiges Photovoltaik-Produkt gestellt wird.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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