22.05.2014, 07:00 Uhr | 1 |

Dünn wie Papier Forscher entwickeln erste serientaugliche Solarzelle aus Perowskit

Die erste serientaugliche Solarzelle aus dem als Wundermaterial gepriesenen Perowskit haben italienische Wissenschaftler jetzt präsentiert. Sie ist so dünn wie ein Blatt Papier und konkurrenzlos günstig. In den kommenden Jahren könnte sie die Fertigung von Solarzellen revolutionieren. 

Solarzelle der italienischen Wissenschaftler
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Für die Herstellung der dünnen Solarzellen nutzen die italienischen Forscher eine Art Tinte, die aus Perowskitkristallen besteht. Ein Wirkungsgrad von bis zu 25 Prozent erscheint den Experten machbar. 

Foto: Universität Rom

Die Solarzelle der italienischen Forscher hat zwar nur ein Drittel des Wirkungsgrades, den Konkurrenten in Großbritannien und der Schweiz gemeldet haben. Doch die schaffen die Rekorde lediglich im Labor. Von einer Serienfertigung sind sie noch weit entfernt.

Die Arbeitsgruppe um Aldo Di Carlo von der Universität Tor Vergata in Rom nutzt einen organischen Farbstoff und eine Art Tinte, die aus Perowskitkristallen besteht. Diese wiederum sind ein in der Natur vorkommendes Material, das aus Calcium, Titan und Sauerstoff besteht – sogenanntes Calciumtitanat. Die fotovoltaisch aktiven Materialien werden lagenweise auf einer Unterlage aus Glas per Drucker abgeschieden.

Wissenschaftler wollen Wirkungsgrad steigern

Di Carlo ist sich sicher, dass sich der Wirkungsgrad noch deutlich verbessern lässt: „Unser aus organischen und anorganischen Stoffen bestehendes Hybridmodul wird in den kommenden Jahren die Fertigung von Solarzellen revolutionieren."

Perowskite haben eine spezielle Kristallstruktur. Erstmals berühmt wurden sie, als die späteren Nobelpreisträger Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller das Material ein wenig manipulierten, sodass es bei Temperaturen supraleitende Eigenschaften zeigte, die weit über denen lagen, die bis dahin bekannt waren.

2009 entdeckte Tsutomu Miyasaka von der Universität Tokio, dass dieses Material auch die Fähigkeit hat, höchst effektiv Photonen, also Lichtteilchen, einzufangen. Eine ein Mikrometer dicke Schicht aus winzigen Calciumtitanatkristallen fängt ebenso viel Licht ein wie eine 180-Mal dickere Siliziumschicht. Die Photonen sorgen dafür, dass in den Kristallen Protonen und Elektronen, also positiv und negativ geladene Atomkernteilchen, voneinander getrennt werden. Die Kunst der Forscher ist es, zu verhindern, dass diese nicht rekombinieren, sich also wieder sehr nah kommen, sondern über getrennte Elektroden als elektrischer Strom abfließen.

Perowskit-Zellen sind so dünn wie ein Blatt Papier

Michael Grätzel, der jahrelang an seiner Erfindung, der Farbstoffsolarzelle, festhielt, war schnell von den Perowskiten begeistert. Dem Chemiker an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne gelang es, im Labor eine Zelle mit einem Wirkungsgrad von 15 Prozent herzustellen. Den Ruhm teilt er sich mit Henry Snaith, Physiker an der Oxford University, der eine etwas andere Technik verfolgt.

20 bis 25 Prozent sind drin, glauben Experten, mehr schafft auch Silizium nicht. Perowskitzellen sind allerdings so dünn wie ein Blatt Papier und konkurrenzlos billig. Die Investitionskosten könnten auf ein Fünftel sinken, wenn sich der industrielle Prozess der italienischen Forscher entscheidend verbessern lässt. Ein Problem allerdings bleibt: In natürlich vorkommendem Calciumtitanat finden sich Spuren des giftigen Schwermetalls Blei.

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Von Wolfgang Kempkens
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kommentare
28.05.2014, 10:07 Uhr Gerhard_Herres
Das Blei dürfte kein Problem sein, denn die nur einen Mikrometer dünnen Schichten werden nicht aus natürlichem Calziumtitanat hergestellt, sondern chemisch aus einer Lösung abgeschieden. Diese kann man sicherlich mit so hoher Reinheit herstellen, dass man, wie heute im Silizium, nur noch ein Bleiatom auf eine Million CaTiO3 finden kann.
Der Trick der Ladungstrennung ist die richtige Dotierung mit Atomen, die ein Elektron mehr oder weniger haben als die Atome an deren Platz sie sitzen.
Genau diese Suche nach der besten Dotierung hat bei den Hochtemperatursupraleitern zu immer höheren Sprungtemperaturen geführt. Vergleicht man die heute erreichten Sprungtemperaturen mit denen, die Müller und Bednorz als erste geschafft haben, ist eine sagenhafte Effizienzsteigerung zu erwarten.
Das Beste dabei ist, dass alle beteiligten Stoffe, also Kalzium, Titan und Sauerstoff zu den häufigsten Stoffen auf der Erde gehören und deshalb eine Verknappung nicht zu befürchten ist. Falls zum Dotieren Kalium und Aluminium geeignet sind, besteht das gesamte System nur aus extrem häufigen und überall zu findenden Elementen.

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