Solarzellen mit rekordverdächtiger Effizienz

Wie heißt es so schön: Die Sonne scheint kostenlos. Und nicht nur das. Sie ist zudem eine Energiequelle, die immer stärker an Bedeutung gewinnt. Das liegt sicherlich hauptsächlich daran, dass sie unerschöpflich und nachhaltig ist. Dank der Photovoltaik (PV) lassen sich Sonnenstrahlen in nutzbare Energie umwandeln. Betrachtet man den aktuellen und auch den Sommer des vergangenen Jahres, wird schnell klar, dass die Sonnenenergie auch in und für Deutschland immer wichtiger wird. Sie trägt einen entscheidenden Beitrag zur Einhaltung der vereinbarten Klimaziele bei. Im vergangenen Jahr lieferte die PV nach Angaben des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) 46 Terrawattstunden Strom. Das entspricht 8,7% des Netto-Stromverbrauchs . An sonnigen Werktagen kann der Strom aus PV-Anlagen zeitweise bis zu 45% des momentanen Stromverbrauchs decken. An Sonn- und Feiertagen sogar bis zu 60%.

Spezielle Lochleiterschicht macht Solarzellen hocheffzient

Bisher dominieren Solarzellen aus Silizium den Markt. Doch die Technik entwickelt sich auf diesem Gebiet rasant weiter. Inzwischen gibt es auch Solarzellen aus metallorganischem Perowskit. Sie gehören heute zu den sehr effizienten Dünnschicht-Technologien und lassen sich zudem deutlich günstiger und einfacher herstellen als die aus Silizium. Sobald das Sonnenlicht auf den Absorber in der Perowskit-Solarzelle trifft, lösen sich Elektronen aus ihrem gebundenen Zustand. Das Licht regt sie energetisch an. Zugleich entstehen sogenannte „Löcher“. Das sind positiv geladene Fehlstellen.

„Um Energie aus der Solarzelle entnehmen zu können, müssen diese Elektronen und Löcher an unterschiedlichen Seiten des Absorbers abgeführt werden. In Perowskit-Solarzellen geschieht dies durch selektive Ladungsträgerschichten, also Membranen, die entweder nur die Elektronen oder nur die Löcher passieren lassen“, erläutert Tobias Abzieher, Doktorand am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. Setzt man diese effizienten Perowskit-Solarzellen ein, ist es erforderlich, die lichtabsorbierende Perowskit-Schicht und zugleich auch die ladungsträgerselektiven Schichten zu optimieren.

Um dies zu gewährleisten, entwickelten die Forscher des LTI gemeinsam mit weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eine neuartige, hocheffiziente Lochleiterschicht auf Basis von Nickeloxid (NiOx). Vorteil dieser Schicht: Sie ist kostengünstig herstellbar und unempfindlicher gegenüber hohen Temperaturen von mehr als 70 Grad Celsius im Vergleich zu den organischen Materialien, die üblicherweise zum Einsatz kommen.

Damit sich diese Schicht von der Grundlage abtrennen lässt, nutzten die Forscher eine Vakuumprozesstechnik, die sogenannte Elektronenstrahlverdampfung. „Dabei lagert sich das Metalloxid mittels Bedampfung auf einem Substrat ab. Mit dieser Technik können wir die Schicht großflächig homogen, sowie dank der geringen Anzahl an Prozessparametern mit gleichbleibend hoher Qualität herstellen“, sagt Abzieher.

Entscheidend ist der Wirkungsgrad

Bei Solarzellen kommt es wie bei vielen Energieumwandlungstechnologien darauf an, dass sie einen möglichst hohen Wirkungsgrad erreichen. Das Forscherteam erzielt bei den Tests mit den vollständig vakuumprozessierten Perowskit-Solarzellen Wirkungsgrade von bis zu 16,1%. Zum Vergleich: Silizium erreicht unter Laborbedingungen Wirkungsgrade von rund 27%. Das wichtigste Teil einer Solarzelle ist der sogenannte Absorber. Er wandelt die Sonnenenergie in nutzbare Energie um. Interessant ist, dass hier zusätzlich eine Drucktechnik zum Einsatz kam, die man aus dem eigenen Haushalt kennt: der Tintenstrahldruck. Die Wissenschaftler des KIT setzten tintenstrahlgedruckte Absorberschichten ein. Mit ihnen erzeugten sie Wirkungsgrade bis zu 18,5%. „In unserer Arbeit konzentrieren wir uns auf skalierbare Herstellungsverfahren. Wir arbeiten mit Nachdruck daran, die Perowskit-Photovoltaik aus dem Labor in die Fabriken zu bringen“, sagt Ulrich W. Paetzold, Leiter der Arbeitsgruppe Advanced Optics an Materials for Next Generation Photovoltaics am Institut für Mikrostrukturtechnik und dem LTI des KIT.

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