Leichte, flexible und effiziente Tandemsolarzellen auf Perowskitbasis

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Vollperowskit-Tandemsolarzellen könnten bald dort ansetzen, wo Siliziumsolarzellen an ihre Grenzen stoßen. Diese hocheffizienten, leichten und flexiblen Zellen haben sich bereits im Labor bewährt – nun arbeiten Empa-Forscher daran, sie zu skalieren und für die reale Welt fit zu machen.

Dachziegel gehören der Vergangenheit an: Auf immer mehr Schweizer Dächern wandeln große schwarze und blaue Rechtecke Sonnenlicht in Strom um. Die bläuliche Farbe stammt von Siliziumkristallen, da die meisten heute erhältlichen Solarzellen auf diesem Halbleitermaterial basieren. Aber Silizium ist nicht die einzige Möglichkeit, eine Solarzelle herzustellen – und möglicherweise nicht einmal die beste.

Photovoltaikzellen auf Siliziumbasis sind so weit ausgereift, dass sie an die Grenzen ihrer Effizienz stoßen. Obwohl noch ein paar Prozentpunkte Verbesserung möglich wären, liegt die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad einer einzelnen Siliziumzelle bei 33 Prozent. In der Praxis liegt sie etwas niedriger, da beim Aufbau und Betrieb der Zellen zwangsläufig geringe Energieverluste auftreten.

Der Grund für diese harte Effizienzgrenze liegt in den Materialeigenschaften von Silizium. Die sogenannte Bandlücke des Materials führt dazu, dass nur Photonen mit einer bestimmten Energie in Strom umgewandelt werden können. Ist die Energie des Photons zu hoch, kann sie von der Solarzelle nicht vollständig „verwertet“ werden.

Zwei Schichten sind besser als eine

Eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu überwinden, bieten Solarzellen aus anderen Materialien, sagt Empa-Forscher Fan Fu. Der Gruppenleiter im Labor für Dünnschichten und Photovoltaik erforscht hocheffiziente Solarzellen aus Perowskit. Eine einzelne Perowskit-Zelle allein erreicht keinen höheren Wirkungsgrad, da Perowskit als Halbleiter auch eine begrenzte Bandlücke aufweist. Die wahre Stärke dieses innovativen Materials liegt darin, dass diese Bandlücke im Gegensatz zu Silizium einfach durch Variation der genauen Zusammensetzung des Perowskit-Materials angepasst werden kann.

Werden zwei Perowskite mit unterschiedlichen Bandlücken zu Dünnschichtsolarzellen verarbeitet und übereinander „gestapelt“, entsteht eine sogenannte Tandemsolarzelle. Eine Perowskitschicht „fängt“ die Photonen mit hoher Energie, die andere die mit niedriger Energie. Theoretisch sind dadurch Wirkungsgrade von bis zu 45 % möglich – viel mehr als die 33 % von Single-Junction-Zellen. Alternativ kann einer Siliziumzelle auch eine Perowskitschicht hinzugefügt werden, um eine hocheffiziente Tandemzelle zu schaffen.

Derzeit konzentrieren sich Fu und sein Team jedoch auf reine Perowskit-Tandemzellen, insbesondere im Rahmen des EU-Forschungsprojekts SuPerTandem, an dem insgesamt 15 führende europäische Forschungseinrichtungen und Unternehmen beteiligt sind. Ziel des Projekts ist die Entwicklung flexibler Perowskit-Tandemmodule mit einem Wirkungsgrad von über 30 Prozent, die zudem mit skalierbaren und kostengünstigen Verfahren hergestellt werden können. Hier liegt eine weitere Stärke von Perowskit-Solarzellen: „Silizium-Solarzellen benötigen meist hochreine Silizium-Einkristalle, die bei hohen Temperaturen hergestellt werden“, erklärt Fu. „Perowskit-Dünnfilme hingegen können mit einem sehr geringen CO2-Fußabdruck gedruckt, aus Lösung verarbeitet oder durch Aufdampfen hergestellt werden. Kleine Fehler, die dabei auftreten, haben nur einen geringen Einfluss auf ihre optoelektronischen Eigenschaften.“

Die potenziellen Vorteile von Projekten wie SuPerTandem sind erheblich, denn je höher der Wirkungsgrad, desto günstiger wird Solarstrom am Ende des Tages sein. „Die Zelle selbst macht nur weniger als 20 Prozent der Kosten einer PV-Anlage aus“, sagt Fu. „Die restlichen 80 Prozent entfallen auf die Kabel, die Wechselrichter, die Anschlussdose und natürlich auf den Installationsaufwand.“ Wird der Wirkungsgrad der einzelnen Zellen gesteigert, reicht für die gleiche Stromleistung eine kleinere – und damit günstigere – PV-Anlage aus. Dünnschichtzellen aus Perowskit können statt auf schweren, starren Glasplatten wie Siliziumzellen auch auf leichten flexiblen Folien hergestellt werden. Dadurch können sie auch an mehr Orten eingesetzt werden, beispielsweise auf Autodächern oder auf Gebäuden mit geringer Tragfähigkeit.

Vom Labor bis zum Dach

Dieses Potenzial von Perowskit-Solarzellen muss nun ausgeschöpft werden. Neben SuPerTandem arbeitet das Team von Fan Fu auch an zwei Schweizer Projekten. In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) geförderten Projekt arbeiten Empa-Forschende daran, die grundlegenden Eigenschaften und Herausforderungen von Perowskit-Solarzellen besser zu verstehen, die zu ihrer Effizienz und Stabilität beitragen. Und in einem Projekt mit dem Bundesamt für Energie (BFE) setzen sie ihr vorhandenes Wissen in die Praxis um, indem sie die bereits an der Empa entwickelten Tandemzellen skalieren.

Was müssen wir noch tun, damit die schwarzen und blauen Rechtecke auf unseren Dächern durch rötliche Perowskitfilme verbunden werden? „Zuerst müssen wir die Perowskit-Zellen von den aktuellen Prototypen von wenigen Zentimetern auf industrielle Größen skalieren“, sagt Fu. Auch die noch etwas fragilen Zellen müssen wirksam vor Witterungseinflüssen geschützt werden. Fan Fu ist optimistisch, dass beides in den nächsten fünf bis zehn Jahren erreicht wird. „Wir kommen gut voran und das Interesse aus der Industrie ist groß“, sagt der Wissenschaftler. „Forscher beschäftigen sich erst seit knapp 15 Jahren mit Perowskit-basierten Solarzellen. Zum Vergleich: Die Forschung an Siliziumzellen wird seit fast 70 Jahren betrieben.“

Von Anna Ettlin, via Empa, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt