Foto: Dr. Bahram Abdollahi Nejand, KIT
Solarenergie wird in einem größeren Ausmaß benötigt, wenn die Energiewende gelingen soll. Darin besteht für Expertinnen und Experten momentan kein Zweifel. Umso wichtiger sind Innovationen. Im Idealfall sorgen sie für mehr Effizienz. Zudem sollten die Herstellungskosten möglichst günstig sein und die Materialien gut verfügbar. Hier kommt Perowskit ins Spiel. Das Mineral ist recht häufig und könnte Silizium langfristig in Teilen oder vielleicht sogar vollständig ersetzen. Einen Schritt in diese Richtung haben Forschende am KIT gemacht – mit einem Perowskit-Perowskit-Solarmodul. Das Besondere: Der Prototyp ist vollständig skalierbar.
Das Stapeln von Perowskiten für Tandem-Solarzellen ist vielversprechend
Perowskit-Halbleiter zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade und niedrige Herstellungskosten aus. Trotzdem ist unter anderem ihre Effizienz noch nicht hoch genug, um sie als echte Alternative zu Silizium anzusehen. Dieses Problem versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu lösen, indem sie Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken stapeln – sie absorbieren also jeweils einen anderen Bereich des Lichtspektrums und produzieren im Ergebnis mehr Strom.
Silizium-Recycling: Aus Altmodulen werden neue Solarzellen
Das Team in Karlsruhe arbeitet an Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarzellen. Das ist möglich, weil unter dem Begriff nicht nur ein Mineral zu verstehen ist, sondern alle Verbindungen, die die gleiche Grundstruktur wie das Perowskitmineral aufweisen. Genau genommen geht es also um Perowskitstrukturen – der Einfachheit halber wird meistens nur der Begriff Perowskit verwendet.
Da zahlreiche unterschiedliche Verbindungen über eine Perowskitstruktur verfügen, können Forschende für Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarzellen Kombinationen mit unterschiedlichen Bandlücken zusammenstellen. Die Expertinnen und Experten am KIT sehen dabei weitere Vorteile: vor allem die günstige Produktion, die Verarbeitung mit lösungsbasierten Verfahren sowie eine große mechanische Flexibilität. Das klingt sehr positiv. Neben der Effizienz müssen aber weitere Herausforderungen bewältigt werden. Das ist zum einen die noch nicht ausreichende Stabilität der entsprechenden Solarmodule. Zum anderen müssen sie skalierbar sein, also in großen Abmessungen herstellbar.
Tandem-Solarzellen lässt sich mit verhältnismäßig geringen Verlusten skalieren
Dem Team um Ulrich W. Paetzold, Professor am Institut für Mikrostrukturtechnik und am Lichttechnischen Institut des KIT, ist es gelungen, zumindest für das Thema Skalierbarkeit einen Lösungsansatz zu entwickeln. Die Forschenden haben Perowskit-Einzelzellen mit Wirkungsgraden bis 23,5% genommen, deren nutzbare Fläche (Aperturfläche) bei 0,1 Quadratzentimetern lag. Diese haben sie zu einer Aperturfläche von 12,25 Quadratzentimetern aufskaliert. Der Wirkungsgrad lag im Anschluss immerhin noch bei 19,1%. Diesen Verlust stufen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Verhältnis zur Aufskalierung als gering ein. „Dieses ist das weltweit erstmals gemeldete Ergebnis eines Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmoduls“, sagt Bahram Abdollahi Nejand, Teamleiter für Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule.
Lichtmanagement, Layout und Verfahren haben geholfen
Für die Forschenden ist das ein großer Schritt. Drei Faktoren waren nötig, um dieses Zwischenziel zu erreichen: Die Expertinnen und Experten haben ein gezieltes Lichtmanagement eingesetzt, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Das heißt, sie haben den Weg des Lichts verbessert und unerwünschte Reflexionen beim Lichteinfall reduziert. Eine Hochdurchsatz-Laser-Strukturierung hat ihnen dabei geholfen, funktionsfähige Tandem-Solar-Minimodule herzustellen, mit zweipolig miteinander verbundenen Zellstreifen. Dieses Tandem-Solarzellen-Layout hat sich als sehr effizient herausgestellt. Für die Beschichtung wählten sie etablierte Verfahren wie Rakeln und Vakuumabscheidung, die in der Industrie bereits etabliert sind.
Plan sei es, Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule durch weitere Aufskalierung sowie Verbesserung der Stabilität zur Marktreife zu bringen.
Bis dahin dürfte es allerdings noch ein weiter Weg sein. Denn ein anderes Team am KIT hat mit Perowskit-CIS-Tandem-Solarzellen bereits einen Wirkungsgrad von fast 25% erreicht. Kolleginnen und Kollegen am Berliner Helmholtz-Zentrum haben mit Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen sogar schon fast die 30%-Marke geknackt.
Die Wirtschaftlichkeit und die Verfügbarkeit von Rohstoffen wird immer wichtiger: In vielen Bundesländern ist eine Photovoltaik-Pflicht für Neubauten geplant, in Baden-Württemberg gilt sie sogar schon.
Photovoltaik-Pflicht bei Neubauten
In Nordrhein-Westfalen müssen seit Anfang des Jahres neue Parkflächen ab einer gewissen Größe mit Photovoltaikanlagen ausgestattet sein.
In anderen Bundesländer wie etwa Bremen, Hamburg oder Rheinland-Pfalz greift ab 2023 eine Solaranlagen-Pflicht.
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