Sie sind leicht, flexibel und effizient und bestehen aus zwei Schichten: Tandem-Solarzellen auf Perovskitbasis können Sonnenlicht besser einfangen als herkömmliche Solarzellen aus Silicium. Im Labor konnten sich die Zellen bereits beweisen, jetzt geht es darum sie alltagstauglich zu machen.
Photovoltaik-Zellen auf Siliciumbasis sind mittlerweile so weit entwickelt, dass sie an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit stoßen. Zwar ließen sich noch ein paar Prozentpunkte mehr herausholen, aber die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Silizium-Einfachzelle liegt bei 33 Prozent. Praktisch ist sie aber tiefer, da beim Betrieb der Zellen unweigerlich Energieverluste anfallen. Ist die Energie eines Photons (Lichtteilchen) zu hoch, kann es von der Solarzelle nicht vollständig verwertet werden (sog. Bandlücke).
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 hocheffizienten Solarzellen aus Perovskit. Eine Perovskit-Einfachzelle allein erreicht zwar noch keinen höheren Wirkungsgrad, denn auch Perovskit hat als Halbleiter eine begrenzte Bandlücke. Die wahre Stärke des innovativen Materials zeigt sich darin, dass sich diese Bandlücke – anders als bei Silicium – 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. Alternativ lässt sich auch eine Perovskit- mit einer Siliciumschicht zu einer hocheffizienten Tandemzelle verarbeiten.
Derzeit forschen Fu und sein Team vor allem an reinen Perovskit-Tandemzellen, unter anderem im Rahmen des EU-Forschungsprojekts „SuPerTandem“, an dem insgesamt 15 führende europäische Forschungsinstitutionen und Unternehmen beteiligt sind.
„Für Silicium-Solarzellen braucht es in der Regel hochreine Silicium-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.“
Dieses große Potenzial von Perovskit-Solarzellen gilt es nun auszuschöpfen. „Zunächst müssen wir die Perovskit-Zellen von den heutigen Prototypen von wenigen Zentimetern Grösse auf Industriegrössen skalieren“, so Fu. Auch gilt es, die noch etwas empfindlichen Zellen wirksam vor Witterungseinflüssen zu schützen. Der Empa-Forscher ist optimistisch, dass beides in den nächsten Jahren gelingen wird. „Wir machen gute Fortschritte, und es besteht ein großes Interesse aus der Industrie“, sagt der Wissenschaftler. „Die Forschung beschäftigt sich erst seit knapp 15 Jahren mit Perovskit-Solarzellen. An Siliciumzellen wird immerhin schon seit fast 70 Jahren geforscht.“
Mehr dazu:
empa.ch/web/s604/perovskit-tandem-solarzellen
