Die Solarzelle wurde weiterentwickelt und mit verschiedenen Materialen kombiniert. So gewinnt sie mehr Strom zu geringeren Kosten – made in Germany.
Ohne Solarzellen wird es auch keine Energiewende geben. Der Anteil erneuerbarer Energien soll von derzeit rund 32 Prozent auf 40 bis 45 Prozent im Jahr 2025 und gemäß der Vereinbarung im Koalitionsvertrag auf 65 Prozent im Jahr 2030 steigen. Jetzt ist es einem Forscherteam gelungen, Solarzellen weiterzuentwickeln und damit Strom zu geringeren Kosten zu erzeugen. Dies ist ein wesentlicher Fortschritt für die Industrie der erneuerbaren Energie.
Wie ist die Solarzelle aufgebaut?
Die Solarzelle besteht aus einer Siliziumschicht, wie sie in der Industrie bereits genutzt wird, doch besitzt diese neu entwickelte Zelle noch eine Schicht aus Perowskit. Diese Schicht ist ebenfalls in der Lage, Strom zu erzeugen. Gerade die Kombination aus Materialen macht es möglich, dass die Stromausbeute höher ausfällt.
Forscher aus Berlin haben diese Solarzelle entwickelt, welche sogar einen Weltrekord hält: denn sie produziert mehr Strom als herkömmliche Solarzellen mit nur einer Schicht aus Silizium. Diese sogenannte Tandem-Zelle ist sehr viel effizienter: aus 100 Prozent einstrahlender Sonne kann sie 29,15 Prozent Strom gewinnen. Silizium-Solarzellen kommen nur auf eine Effizienz von 26 Prozent. Wenn Solarzellen auf Dächern verbaut werden, können diese aus der Sonnenergie nur 20 Prozent Strom generieren.
„Gelingt es, die Tandem-Zelle auf den Massenmarkt zu bringen, könnte Solarstrom nochmals um die Hälfte günstiger sein als heute“, sagt Amran Al-Ashouri vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB). Diese Erkenntnis wurde jetzt auch mit der wissenschaftlichen Community geteilt und im Fachblatt „Science“ publiziert. So werden dort genau die Experimente und Herstellungsmethoden dieser effektiven Perowskit-Solarzellen dargelegt.
So neu ist die Vorgehensweise jedoch gar nicht, Silizium mit einer anderen Schicht zu kombinieren. Dieses Bauprinzip wurde schon früher von Wissenschaftlern vorgeschlagen. Silizium gewinnt den Strom vor allem aus dem roten Anteil des Sonnenlichts. Der blaue Anteil des Lichts kann dabei kaum ausgebeutet werden. Dies ändert sich nun mit der neuen Materialkombination von Silizium und Perowskiten, welches diesen Teil des Lichtspektrums sehr gut nutzen kann zur Stromerzeugung.
Haben Peroswskite auch Nachteile?
Neben den beachtlichen Wirkungsgraden gibt es ein erhebliches Manko: Blei wird zur Herstellung zu Perowskit-Solarzellen genutzt und ist hochgiftig. Forscher arbeiten bereits an der Herstellung von bleifreien Perowskit-Solarzellen. Da das Schwermetall Blei giftig ist, wurde es schon in mehreren Ländern verboten. Die Fortschritte der Forschung sind hier schnell.
Zum anderen sind diese Art der Solarzellen hochsensibel und können schnell ihre Leitfähigkeit verlieren, da sie mit Grenzflächen reagieren. Das Problem versuchen die Forscher zu lösen, indem sie eine Zwischenschicht aus organischen Molekülen entwickeln. So werden Moleküle auf Carbazol-Basis mit Methylgruppen (Me-4PACz) genutzt, um sie zu einer Monolage anordnen zu lassen.„Wir haben sozusagen zuerst das perfekte Bett eingerichtet, auf das sich die Perowskit-Schicht legt“, erläutert Al-Ashouri.
So wird noch Forschung von über einem Jahrzehnt notwendig sein, um Herauszufinden, warum die Grenzflächen so schnell instabil werden. „Da ist zum einen die wissenschaftliche Aufgabe, zu verstehen, warum die Grenzfläche so empfindlich ist und wie man das Problem dauerhaft löst,“ sagt Al-Ashouri. Außerdem arbeiten die Forscher daran, die Perowskite großflächig abzuschneiden. Denn heutzutage messen sie gerade einen Quadratzentimeter.
Das neue „Wundermaterial“ für Solarzellen wird durch volle Sonneneinstrahlung zudem instabil. So ist die Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen deutlich kürzer als die Silizium-Zellen. So beträgt die Arbeitszeit der Perowskit-Zelle derzeit ungefähr 300 Stunden. Markttauglich sind diese Zahlen jedoch nicht. In der Solarindustrie wird mit einer Haltbarkeit von mindestens 25 Jahren gerechnet, wobei nach dieser Zeit noch 80 Prozent der anfänglichen Leistung erbracht werden soll.
Diese Forschung sei ein „großer Fortschritt“ sagt Michael Saliba, Leiter des Instituts für Photovoltaik an der Universität Stuttgart. „Selbst kleinste Verbesserungen sind hart erkämpft“, sagt er. „Kombiniert mit einer Perowskitschicht wurde nun die Effizienz sprunghaft gesteigert.“ Die Stabilität ist dabei das Wichtigste bei der Herstellung der Perowskite. So sei es auch möglich, Solarzellen ganz ohne Silizium herzustellen. Denn Perowskite sind flexibler und dünner als eine herkömmliche Solarzelle. „Sie eignen sich daher auch für gekrümmte Flächen, etwa an Fassaden, und bieten so viel mehr Gestaltungsmöglichkeiten.“ Das Team für Perowskit-Tandemsolarzellen am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie möchte die Effizienz auf über 30 Prozent bringen. So wurde der Leiter der Nachwuchsgruppe auch mit dem Berliner Wissenschaftspreis ausgezeichnet. Ziel ist es, diese Tandemzellen aus Silizium und Perowskiten auf einen Wirkungsgrad von 35 Prozent zu bringen.
Diese neue Technologie lässt auch viele neue Produkte zu. So wurde in München an einem Auto entwickelt, welches komplett mit Solarzellen bedeckt ist. Der so gewonnen Strom aus Sonnenenergie fließt dann direkt in die Autobatterie.
