Die internationale Forschung arbeitet an diversen Alternativen zu den derzeit dominierenden Solarzellen aus Silizium, aber keine erreichte in den letzten Jahren dieselbe Dichte an Publikationen wie Perowskit-Solarzellen. Diese könnten sich als ernsthafte Herausforderer entpuppen. Vorerst setzen die Forscher aber klugerweise auf Symbiose zwischen den beiden Technologien.

Geologisch gesehen ist Perowskit absurd. Als eines der häufigsten Mineralien unseres Planeten füllt es 38% seiner Erdmasse. Trotzdem findet kaum jemand Perowskit, weil es grösstenteils 660 – 2900 km unter der Erdoberfläche liegt. Dort pressen der oberen Mantel und der äussere Erdkern das Silizium-Perowskit zusammen.

Natürliches Perowskit aus der Magnet Cove in Arkansas.

Natürliches Perowskit aus der Magnet Cove in Arkansas.

Perowskit tritt in verschiedenen Materialkombinationen auf. Seine leicht verzerrt kubische, kristalline Struktur weist eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Dies macht das Material interessant für die Anwendung in der Elektronik, zum Beispiel als Halbleiter oder eben Solarzellen.

Bei diesen Anwendungen kommt nicht das natürlich vorkommende Perowskit selbst zum Einsatz, sondern eine künstliche Substanz mit der kristallinen Struktur von Perowskit. Labor-Perowskit ist einfach zu produzieren und verspricht diverse Vorteile gegenüber den heute dominierenden Silizium-Solarzellen.

Die Vorteile von Perwskit kristallisieren sich heraus

Die Struktur von Perowskit mit der generellen chemischen Formel ABX3. In Realität sind die Atome variable und die kubische Struktur verzerrt.

Die Struktur von Perowskit mit der generellen chemischen Formel ABX3. In Realität sind die Atome variabel und die kubische Struktur verzerrt.

Grundsätzlich gleicht die Funktionsweise von Perowskit-Solarzellen allen anderen. Die Photonen des Sonnenlichts lösen Elektronen aus den Atomen des Kristalls. Die freigesetzten Elektronen verschieben sich und bilden, stark verkürzt ausgedrückt, beim Anschluss an einen Stromkreis einen Elektronenfluss.

Bei Siliziumkristallen sind die Atome streng angeordnet und geben den Elektronen eine klare Bahn vor. Je präziser sich das Gitter der Kristallmoleküle in der Solarzelle ausrichtet, desto höher ist der prozentuale Anteil der Sonnenenergie, die in Elektrizität umgewandelt wird (=Wirkungsgrad). Entsprechend makellos muss auch die Produktion und Erhaltung von Silizium-Solarpanels funktionieren.

Perowskit dagegen ist ein hochgradig imperfekter Kristall. Besonders ist aber, dass diese Unvollkommenheit die Elektronenströme in keiner Weise behindert. Die Ursachen dafür sind noch Gegenstand der Forschung. In praktischen Experimenten zeigt sich aber bereits, dass diese Fehlertoleranz Perowskit zu einem hochinteressanten Material für Solarzellen macht. Die dünne kristalline Schicht kann auf Gegenstände beliebigen Materials und Form als Solarzelle funktionieren.

Rasante Entwicklung

2009 stellte eine japanische Arbeitsgruppe die erste Perowskit-Solarzelle her. Sie hatte einen Wirkungsgrad von lächerlichen 3.8 Prozent und funktionierte nur ein paar Minuten lang. Mit ihren heutigen 22.7 Prozent übertreffen sie aber bereits herkömmliche Dünnschichtsolarzellen.

Dass eine derart rasante Entwicklung überhaupt möglich war, spricht für die Geeignetheit des Materials. Trotzdem stellen sich noch diverse Probleme, zu deren schrittweisen Lösung aber beinahe monatlich eine neue wissenschaftliche Publikation erscheint.

Zu winzig, selbstauflösend und giftig

Erstens waren Perowskit-Solarzellen mit 0.1 cm2 unverhältnismässig klein. Einer Arbeitsgruppe der EPFL Lausanne gelang es schliesslich, die Grösse um mehr als das 10fache zu vergrössern. Inzwischen experimentieren Wissenschaftler mit sprühbarem Perowskit, um Solarzellen von Solarpanelen zu befreien.

Zweitens sind Perowskit-Solarzellen weniger dauerhaft als Silizium-Zellen. Die Herstellung von Silizium ist zwar aufwendig (über 1400° Celsius), aber die daraus hergestellten Solarzellen bleiben auch entsprechend stabil. Forscher können Perowskit effizient und billig mit einfachem Labor-Material produzieren, was zweifelsohne zu seinem raschen wissenschaftlichen Fortschritt beigetragen hat. Die Perowskit-Zellen lösen sich aber im Kontakt mit Feuchtigkeit regelrecht auf. Daher experimentieren Forschungsgruppen heute entweder mit verschiedenen Herstellungsprozessen oder Schutzschichten, um ihre Dauerhaftigkeit zu steigern.

Drittens beinhalten fast alle Perowskit-Solarzellen giftiges Blei. Als erste Alternative galt Zinn, welches jedoch zu schnell oxidiert. Forscher an der Brown University entwickelten im letzten Februar eine vielversprechende Variante mit Titan-Perowskit. Allerdings muss der Wirkungsgrad des neuen Materials (3.3%) aufs Neue gesteigert werden.

Billiger ist nicht gut genug

Übersicht über Wirkungsgrade momentan entwickelter Solarzellen.

Perowskit-Solarzellen zeigen im Vergleich zu Konkurrenten eine steile Entwicklung des Entwicklungsgrades.

Angenommen die Perowskit-Solarzellen lösen alle ihre Probleme. Dies alleine reicht noch lange nicht, um zu einer ernsthaften Konkurrenz für die etablierten Solarzellen aus kristallisiertem Silizium zu werden. Siliziumsolarzellen werden dank fortschreitender Massenproduktion immer günstiger. Und ihre technologische Entwicklung beschleunigt sich mit der wachsenden Industrie, die in sie investiert.

Einer der grössten potentiellen Vorteile von Perowskit-Solarzellen ist seine einfache und billige Produktion. Die Zellen selbst sind aber ohnehin nicht besonders kostenrelevant für Photovoltaikanlagen. Mehr als 50% der Kosten verursachen elektrische Anschlüsse, Halterungen und die Montage der Anlage.

Konkurrenzfähig wären also nur Solarzellen, die bei vergleichbaren Kosten auch einen relevant höheren Wirkungsgrad bieten können. Bei Silizium-Solarzellen auf der Erdoberfläche dürfte der theoretische (= physikalisch errechnete) Wirkungsgrad von 29% bald erreicht sein. Hier setzen die Perowskit-Solarzellen an.

Perowskit-Silizium Tandem-Solarzellen

Die internationale Gemeinschaft der Perowskit-Forscher scheint sich bereits auf eine Marktstrategie geeinigt zu haben. Anstatt den Platzhirsch Silizium herauszufordern, bieten sie ihm vorerst eine Symbiose an. Labortests haben nämlich schon ergeben, dass Silizium-Solarzellen ihren Wirkungsgrad als Tandem-Solarzellen mit einer Perowskit-Schicht stark steigern können.

Tandem-Solarzellen könnten mit Perowskit billiger werden und sich von der Raumfahrt in zivile Anwendungen ausbreiten.

Tandem-Solarzellen könnten mit Perowskit billiger werden und sich von der Raumfahrt in zivile Anwendungen ausbreiten.

Bisher wurde die kostenintensive Tandem-Technologie nur bei ausgewählten Projekten angewendet, zum Beispiel bei Satelliten oder Raumstationen. Wenn aber Perowskit tatsächlich eine günstige Effizienzsteigerung bietet, kommen die Silizium-Solarzellen-Hersteller in einen Zugzwang. Denn wer nicht in das neue Material investiert, begibt sich in Gefahr, hinter den neuen Perowskit-Tandem-Solarzellen zurückzubleiben.