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Tandem-Solarfolien auf Perovskit-Basis

An der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in der Schweiz beschäftigen sich Forschende damit, flexible Solarzellen mit Wirkungsgraden über 30 Prozent herzustellen. Bild: Empa

Zwei Schichten für mehr Effizienz: Tandem-Solarzellen auf Perovskitbasis können Sonnenlicht besser einfangen als herkömmliche Solarzellen aus Silizium. Im Labor konnten sich die leichten und flexiblen Zellen bereits beweisen – jetzt arbeiten Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in der Schweiz daran, sie zu skalieren und alltagstauglich zu machen.

Silizium-Solarzellen mit begrenzter Effizienz

Heute sieht man auf immer mehr Dächern große schwarzblaue Rechtecke, die Sonnenlicht in Strom umwandeln. Die schwarzblaue Farbe dieser Solarmodule stammt von Siliziumkristallen, das Halbleitermaterial, auf dem die Mehrheit der heute erhältlichen Solarzellen basiert. Doch Silizium ist nicht das einzige Material, aus dem sich Solarzellen herstellen lassen – und möglicherweise auch nicht das beste.

Denn Photovoltaik-Zellen auf Siliziumbasis sind mittlerweile so weit entwickelt, dass sie an die Grenzen ihrer Effizienz stoßen. Zwar ließen sich noch ein paar wenige Prozentpunkte mehr herausholen, aber die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Silizium-Einfachzelle liegt bei 33 Prozent, und in der Praxis liegt sie sogar noch etwas tiefer, da beim Bau und Betrieb der Zellen unweigerlich kleine Energieverluste anfallen.

Der Grund für diese begrenzte Effizienz ist auf die Materialeigenschaften des Siliziums zurückzuführen. Die sogenannte Bandlücke des Materials bewirkt, dass nur Photonen mit einer bestimmten Energie zu Strom umgewandelt werden können. Ist die Energie des Photons zu hoch, kann es von der Solarzelle nicht vollständig „verwertet“ werden.

Zwei Schichten nutzen mehr Sonnenlicht als eine

Solarzellen aus anderen Materialien bieten eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu umgehen, weiß Empa-Forscher Fan Fu. Der Gruppenleiter im Labor für Dünnfilme und Photovoltaik forscht an Solarzellen aus Perovskit. Eine Einfachzelle aus diesem Material allein erreicht zwar noch keinen höheren Wirkungsgrad, denn auch Perovskit hat als Halbleiter eine begrenzte Bandlücke. Die wahre Stärke des Materials zeigt sich darin, dass sich diese Bandlücke – anders als bei Silizium – steuern lässt, indem man die Zusammensetzung des Perovskitmaterials variiert.

Verarbeitet man zwei Perovskite mit unterschiedlichen Bandlücken zu Dünnschicht-Solarzellen und „stapelt“ sie aufeinander, erhält man eine sogenannte Tandem-Solarzelle. Eine Perovskit-Schicht „fängt“ die Photonen mit hoher Energie, die andere diejenigen mit niedriger Energie. Somit lassen sich theoretisch Wirkungsgrade von bis zu 45 Prozent erzielen – deutlich mehr als die 33 Prozent bei Einfachzellen. Alternativ lässt sich auch eine Perovskit- mit einer Siliziumschicht zu einer Tandemzelle mit höherer Effizienz verarbeiten.

Severin Siegrist, Fan Fu und Federico De Giorgi (von links) präsentieren die Solarzellen. Bild: Empa
Severin Siegrist, Fan Fu und Federico De Giorgi (von links) präsentieren die Solarzellen. Bild: Empa

Supertandem-Forschungsprojekt zielt auf über 30 Prozent Wirkungsgrad

Zurzeit forschen Fu und sein Team jedoch vor allem an reinen Perovskit-Tandemzellen, unter anderem im Rahmen des EU-Forschungsprojekts Supertandem, an dem insgesamt 15 europäische Forschungsinstitutionen und Unternehmen beteiligt sind. Ziel des Projekts ist, flexible Perovskit-Tandem-Module mit einem Wirkungsgrad von über 30 Prozent zu entwickeln, die sich zudem mit skalierbaren und kostengünstigen Verfahren produzieren lassen.

Denn das ist eine weitere Stärke der Perovskit-Solarzellen: „Für Silizium-Solarzellen braucht es in der Regel hochreine Silizium-Monokristalle, die bei hoher Temperatur hergestellt werden“, erklärt Fu. „Perovskit-Dünnschichten können dagegen gedruckt, verdampft oder aus der Lösung abgeschieden werden, mit einem entsprechend niedrigen CO2-Fussabdruck. Kleine Defekte, die dabei entstehen, beeinträchtigen ihre optoelektronischen Eigenschaften nur wenig.“

Der potenzielle Nutzen von Projekten wie Supertandem ist enorm, denn je höher der Wirkungsgrad, desto günstiger wird unter dem Strich die Solaranlage. „Die Zelle selbst macht weniger als 20 Prozent der Kosten für eine PV-Anlage aus“, sagt Fu. „Die restlichen 80 Prozent entfallen auf die Verkabelung, die Wechselrichter, die Steuerung und natürlich den Arbeitsaufwand für die Installation.“ Steigert man die Effizienz der einzelnen Zellen, reicht für dieselbe Stromproduktion eine kleinere – und somit günstigere – PV-Anlage.

Auch können Dünnschichtzellen aus Perovskit auf leichten flexiblen Folien hergestellt werden, anstatt auf schweren, starren Glasplatten wie Siliziumzellen. Dadurch lassen sie sich auch an mehr Orten einsetzen, etwa auf Autodächern oder auf Bauwerken mit geringer Tragkraft.

Der potenzielle Nutzen von Projekten wie Supertandem ist hoch, da Solaranlagen umso günstiger sind, je höher ihr Wirkungsgrad ist. Bild: Empa
Der potenzielle Nutzen von Projekten wie Supertandem ist hoch, da Solaranlagen umso günstiger sind, je höher ihr Wirkungsgrad ist. Bild: Empa

Vom Labor aufs Dach

Dieses große Potenzial von Perovskit-Solarzellen gilt es nun auszuschöpfen. Neben Supertandem arbeitet Fan Fus Team auch in zwei Schweizer Projekten daran. In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) geförderten Projekt arbeitet das Empa-Team daran, die grundlegenden Eigenschaften und Herausforderungen der Perovskit-Solarzellen besser zu verstehen, die zu ihrer Effizienz und Stabilität beitragen. Und in einem Projekt mit dem Bundesamt für Energie (BFE) setzen sie ihr Wissen in die Praxis um, indem sie die an der Empa entwickelten kleinen Tandem-Zellen, die die prinzipielle Machbarkeit belegen, auf gängige Formate „skalieren“, also Herstellungsprozesse dafür entwickeln.

„Zunächst müssen wir die Perovskit-Zellen von den heutigen Prototypen von wenigen Zentimetern Größe auf Industriegrößen skalieren“, sagt Fu. Auch gilt es, die noch etwas empfindlichen Zellen wirksam vor Witterungseinflüssen zu schützen. Der Empa-Forscher ist optimistisch, dass beides in den nächsten fünf bis zehn Jahren gelingen wird. „Wir machen gute Fortschritte, und es besteht ein großes Interesse aus der Industrie“, sagt der Wissenschaftler.

Perovskit-Solarzellen aus zwei Schichten können höhere Ausbeuten erreichen als herkömmliche Solarzellen aus Silikon. Bild: Empa
Perovskit-Solarzellen aus zwei Schichten können höhere Ausbeuten erreichen als herkömmliche Solarzellen aus Silikon. Bild: Empa

„Die Forschung beschäftigt sich erst seit knapp 15 Jahren mit Perovskit-Solarzellen. An Siliziumzellen wird immerhin schon seit fast 70 Jahren geforscht.“ Also sind die Aussichten nicht schlecht, dass sich zu den schwarzblauen Vierecken auf dem Dach immer mehr rötliche Perovskit-Folien gesellen.