Perowskit-Solarzellen: Warten auf den Durchbruch

© Boshu Zhang, Wong Choon Lim Glenn & Mingzhen Liu, University of Oxford

© Boshu Zhang, Wong Choon Lim
Glenn & Mingzhen Liu, University
of Oxford

Billige Farbstoffe statt hochreines Silizium: Wer damit Energie aus Sonnenlicht gewinnen kann, vollbringt großes. Zum Einsatz kommen dabei sogenannte Perowskit. Dabei handelt es sich um spezielle Mineralien in Pulverform, die sich zu einer Zellschicht auftragen lassen. Und seit kurzem werden diese auch zur Herstellung von Solarzellen verwendet. Vor ein paar Jahren konnte damit immerhin noch ein Wirkungsgrad von 3,8 Prozent erreicht werden. Nun ist dieser Wert auf fast 18 Prozent hochgeschnellt – eine kleine Sensation. Denn damit sind die Perowskit-Zellen fast so leistungsstark wie die derzeit besten am Markt erhältlichen Dünnschicht-Solarzellen.

Druckfrische Solarzellen zum Tiefstpreis

Perowskit-Zellen bringen einige gewichtige Vorteile mit sich: Sie fast hundertmal weniger lichtabsorbierendes Material. Daneben sind sie auch bei der Herstellung äußerst genügsam, was den Energieverbrauch anbelangt. Auch die Montage, wenn von einer solchen überhaupt noch die Rede sein kann, ist denkbar einfach: Perowskit-Zellen lassen sich einfach auf Glas oder Stahl aufdrucken. Darüber hinaus sind sie auch bei schrägem Lichteinfall und gegenüber diffuser Strahlung noch erstaunlich effektiv.

Setzt sich diese Technik durch, dann könnte das am Markt einen nicht zu verachtenden Preissturz zur Folge haben. Nur noch zwischen 0,11 und 0,14 Dollar pro Watt an Leistung wäre der Preis bei einer Massenproduktion. Diese Zahlen präsentierte der Forscher Tsutomu Miyasaka von der Toin University of Yokohama. Ein an dieser Stelle interessanter Vergleich: Die günstigsten Module vom US-amerikanischen Anbieter First Solar kosteten Ende 2013 0,56 Dollar pro Watt Leistung, womit sie rund fünfmal teurer sind als die Perowskit-Zellen.

Miyasaka gehört selber zu den Pionieren der neuen Technologie, denn er hat die Perowskit-Zellen bereits 2009 eingesetzt und wichtige Impulse für deren Entwicklung gegeben. Und nicht nur er allein ist der Ansicht, dass die Zellen künftig noch effizienter werden. Yanfa Yan, Professor für Physik an der Universität Toledo, beziffert das Potenzial nach oben mit 22 Prozent innerhalb der nächsten zwei Jahre. Langfristig könnten es sogar 29,4 Prozent werden.

Hoffnungsträger der dritten Generation

Diese Eigenschaften lassen die Perowskit-Zellen nicht zu Unrecht als die große Hoffnung innerhalb der dritten Generation von Solarzellen erscheinen, die bald die Nachfolge von Silizium- und Dünnschicht-Zellen antreten sollen. Diese neue Generation besteht aber auch aus Farbstoff-Solarzellen und organischen Solarzellen aus Kunststoffen. Zwar werden beide seit Jahrzehnten erforscht, aber mit dem rasanten Anstieg des Wirkungsgrades bei Perowskit-Zellen konnten sie dann auch nicht mithalten.

Aber wo viel Licht ist, da ist auch Schatten. Es gilt noch einige Hürden zu nehmen, bevor die Technik zur Marktreife gelangen kann. Perowskit-Zellen sind empfindlich: Kommen sie mit Wasser oder UV-Strahlung in Kontakt, dann zersetzen sie sich binnen kürzester Zeit. Es ist also noch etwas Forschung vonnöten, damit die nächste Generation an Solarzellen nicht einfach von den Dächern gespült wird. Mindestens zehn, besser aber noch 20 Jahre Haltbarkeit sind das Ziel der Forscher. Nur so können sie auch kommerziell zu einem Erfolg werden.

Eine Lösungsmöglichkeit könnten Kohlenstoffnanoröhrchen und eine wasserabweisende Plexiglasverpackung sein. Zumindest ist das der Weg, an dem sich Henry Snaith, Solarforscher an der Universität Oxford, versucht. Mit Hilfe dieser Materialien war es bereits möglich, die Zellen bei hohen Temperaturen über einen Zeitraum von 96 Stunden stabil zu halten. Das ist aber noch nicht ausreichend, um eine Lebensdauer von 20 Jahren zu simulieren. Dazu bedarf es längerer Tests.

Dennoch hoffen Forscher, die Zellalterung einzudämmen und auf ein wirtschaftlich tragfähiges Niveau zu senken. Laut Nam-Gyu Park von der Sungkyunkwan University in Korea seien für organische Leuchtdioden bereits gute Verkapselungen entwickelt worden. Die könne man auch leicht für Solarzellen übernehmen.

Wie bleihaltig darf Ökostrom sein?

Umwelteinflüsse sind aber nicht das einzige Problem, mit dem die Entwickler zu kämpfen haben. Perowskit-Solarzellen enthalten Blei, und zwar genau 0,21 Gramm pro Quadratmeter. Als Nervengift schädigt das Schwermetall schon in geringen Mengen die Gesundheit. Die Experten halten es jedoch deswegen nicht für unmöglich, bleihaltige Solarzellen auf den Markt zu bringen und es wäre auch nicht der erste Schwermetall, der bei dieser Aufgabe eingesetzt wird. Viele konventionelle Module enthalten beispielsweise das ebenso giftige Cadmium. Auch Blei käme nicht zum ersten Mal auf die Hausdächer, denn schon heute gibt es Silizium-Module, die bis zu 30 Gramm Blei enthalten. Die Verwendung des Schwermetalls würde jedoch einen bitteren Nachgeschmack in Bezug auf das grüne Image hinterlassen. Die Forscher sind also weiterhin darum bemüht, künftig ohne diesen Wermutstropfen auskommen zu können.

Aktuell lässt sich die Frage, ob mit Perowskit-Solarzellen ein großer Durchbruch bevorsteht, nicht abschließend beantworten. Es ist auf dem Weg in die Massenfertigung nicht unwahrscheinlich, dass weitere Probleme auftauchen, die einer Lösung bedürfen. Allerdings ist vielen Forschern noch nicht einmal klar, wie genau diese Zellen eigentlich funktionieren, auch wenn sie leicht herzustellen sind.

Dass man jedoch um Lösungen bemüht ist, das beweist die große Anzahl der veröffentlichten Studien. Und fast täglich kommen neue hinzu. Ganze 210 sind bislang erschienen, allein 150 davon seit Anfang 2013. Bis zum Knacken der 20 Prozent-Marke beim Wirkungsgrad wird es wohl nur noch eine Frage der Zeit sein.

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