Perowskit eröffnet Massenmarkt für Mehrfachsolarzellen

Marktübliche Siliziumsolarzellen können praktisch Wirkungsgrade von 10 % bis 22 % erreichen, theoretisch möglich für den Halbleiter Silizium sind 29,3 %. Mit sogenannten Triple-Junction-Zellen sind Wirkungsgrade von 50 % möglich ‒ theoretisch. Ein Forschungsteam aus der Schweiz hat jetzt eine Perowskit-Silizium-Mehrfachsolarzelle mit hohem Wirkungsgrad von 30 % entwickelt.

Da sie Perowskite nutzt, gilt sie als potenziell kostengünstiger produzierbar als klassische Multijunction-Zellen, die als Halbleiter in den Stapelzellen Elemente der III. und V. Hauptgruppe nutzen (sogenannte III-V-Mehrfachsolarzellen). Dank der Perowskite könnten sie tauglich für den Massenmarkt werden.

Warum einfache Siliziumsolarzellen nicht so effizient sein können

Marktübliche Solarzellen auf Basis von Silizium haben selten einen höheren Wirkungsgrad als 22 %. Wissenschaftlern des Labors für Photovoltaik und Dünnschichten (PV-Lab) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ist es in Zusammenarbeit mit dem Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) gelungen, Solarzellen mit außergewöhnlichen Spannungen, hohen Wirkungsgraden und mit Potenzial für die Produktion in großem Maßstab zu entwickeln.

Herkömmliche Solarzellen aus Silizium haben eine physikalische Grenze der Effizienz. Sie arbeiten nur mit einem Halbleiter (Silizium), der nur einen bestimmten Teil des Lichts optimal in Strom wandeln kann. Der Rest bleibt ungenutzt und wird in Wärme umgesetzt.

Warum das Stapeln von Zellen mit verschiedenen Materialien mehr bringt

Sogenannte „Tandem-Zellen“ stapeln zwei verschiedene Materialien übereinander, um mehr Energie aus dem Sonnenlicht herauszuholen. Das Rezept: Die beiden Halbleiter nutzen verschiedene Teile des Spektrums optimal. So holen sie aus dem Sonnenlicht mehr Energie heraus. Die obere Schicht aus Materialien wie Perowskit nutzt etwa eher kurzwelliges Licht (blau/grün), die untere aus klassischem Silizium eher langwelliges rotes Licht. Während normale Siliziumzellen theoretisch eine Effizienz von kaum mehr als 29 % erreichen können, liegt der Wirkungsgrad bei Tandem-Zellen theoretisch bei bis zu 40 %. In Laboren wurden bereits Werte von 35,0 % erreicht.

Die Schweizer Forscher, die ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht haben, stellten eine Zelle mit einer „Triple-Junction-Anordnung“ im Labor her, also eine Dreifach-Stapelzelle. Bei ihr stellt die untere Schicht – also die, bei der das Licht zuletzt ankommt – eine Siliziumzelle dar. Darauf aufgebracht sind zwei Zellen aus verschiedenen Perowskiten. Die oberste nutzt wieder das kurzwellige Licht (blau/grün), die mittlere eher den grünen und gelben Bereich des Spektrums. Während Silizium bei über 1400 °C geschmolzen werden muss, kann man Perowskite aus einer chemischen Lösung „drucken“ oder aufsprühen – fast wie Tinte bei einem Tintenstrahldrucker.

Perowskit: Worin der eigentliche Fortschritt der neuen Triple-Solarzelle liegt

Die so hergestellte Zelle erreicht nach Angaben der EPFL-Forscher einen zertifizierten Wirkungsgrad von 30,02 %. Damit übertreffe sie den bisherigen zertifizierten Rekord von 27,1 %. „Durch ausgeklügelte Designs und Prozesse zeigen wir, dass es möglich ist, an die Leistung heranzukommen, die bisher nur den teuersten III-V-Multijunction-Solarzellen vorbehalten war, die hauptsächlich in der Raumfahrt eingesetzt werden“, schreiben die Forscher in ihrem Bericht. Diese bestünden aus mehreren Halbleiterschichten und könnten zwar einen Wirkungsgrad von bis zu 39,5 % erreichen, kosteten aber pro Watt etwa das 1000-Fache von terrestrischen Zellen. „Unser Ansatz ebnet den Weg für eine neue Generation hocheffizienter Multi-Junction-Photovoltaik, die mit einer industriellen Produktion kompatibel ist“, heißt es weiter.

Theoretisch könnte man so einen Wirkungsgrad von knapp 50 % erreichen, weiß Christian Wolff, Physiker des PV-Labors der EPFL in Neuchâtel. „In der Praxis liegt der beste Wirkungsgrad nach meinem Wissen derzeit bei 39,5 % – erreicht von einem Team des National Laboratory of the Rockies (NLR) in den USA.“ Die Verfahren dafür seien jedoch sehr aufwendig und allenfalls in speziellen Szenarien wie in der Raumfahrt realisierbar.

Warum die Perowskit-Mehrfachzellen es wirklich auf den Markt schaffen könnten

Wolff forscht seit über zehn Jahren an Perowskit-Solarzellen. Er erklärt gegenüber VDI nachrichten den Ansatz, Halogen-Perowskite mit der etablierten Silizium-Photovoltaiktechnologie zu kombinieren – Silizium ist verhältnismäßig günstig zu beschaffen. Dadurch könne man thermische Verluste, bei denen Sonneneinstrahlung zu einem großen Teil durch Hitze verloren geht, reduzieren.

Der Herstellungsprozess sei zu realisierbaren Preisen machbar, so der Physiker. „Derzeit ist der Preis von Si-Solarzellen fast vollständig durch die Installation dominiert. Die sogenannten III-V-Materialien (bestehend aus einer Kombination von Elementen der III. und der V. Hauptgruppe) lassen sich nur aufwendig und damit teuer in der Erdkruste gewinnen. „Wir sprechen von einem höheren Preis mit dem Faktor 1000. In Zukunft könnte der sich aber mithilfe der neu entwickelten Technologie wieder deutlich an der Zelle und deren Herstellung orientieren. Die Installation hingegen lässt sich nur schwerlich günstiger machen.“

Was die Perowskit-Mehrfachsolarzellen so spannend macht

„Halogen-Perowskite haben zudem den Vorteil, dass man das zu absorbierende Farbspektrum über die Bandlücke des Materials fein einstellen kann“, so Wolff. „Außerdem kann man sie exzitonisch bauen, was bedeutet, dass sie gut Licht aussenden können, anstatt es zu absorbieren.“ Das sei interessant für die Herstellung von LEDs.

Die Technologie wäre ferner potenziell interessant für die Produktion von Wasserstoff, prognostiziert Wolff. „Die hohen Spannungen, die man mit Dreifachsolarzellen erreichen kann, erlauben potenziell eine noch bessere Elektrolyse, was bei Einfach- oder Tandemsolarzellen nicht so einfach zu realisieren ist.“ Einen anderen Anwendungsbereich für die Triple-Junction-Zellen sieht der Physiker in der Raumfahrt, wo möglichst viel Leistung pro Fläche und insbesondere pro Gewichtseinheit erforderlich ist.