Perovskit-Solarzellen aus zwei Schichten (Laborbild) können deutlich höhere Ausbeuten erreichen als herkömmliche Solarzellen aus Silizium. Allerdings gilt es die Perovskit-Zellen von den heutigen Prototypen von wenigen Zentimetern Grösse noch auf Industriegrösse zu skalieren und die noch etwas empfindlichen Zellen wirksam vor Witterungseinflüssen zu schützen.
Bild Empa

Fotovoltaik-Zellen auf Siliziumbasis sind mittlerweile so weit entwickelt, dass sie an die Grenzen ihrer Effizienz stossen. Zwar liessen sich noch ein paar wenige Prozentpunkte mehr herausholen, aber die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Silizium-Einfachzelle liegt bei 33%. Praktisch ist sie etwas tiefer, da beim Bau und Betrieb der Zellen unweigerlich kleine Energieverluste anfallen.

Der Grund für diese begrenzte Effizienz liegt in den Materialeigenschaften des Siliziums. Die sogenannte Bandlücke des Materials bewirkt, dass nur Photonen mit einer bestimmten Energie zu Strom umgewandelt werden können. Ist die Energie des Photons zu hoch, kann es von der Solarzelle nicht vollständig verwertet werden.

Zwei Schichten sind besser als eine

Solarzellen aus anderen Materialien bieten eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu umgehen, weiss Empa-Forscher Fan Fu. Der Gruppenleiter im Labor für Dünnfilme und Fotovoltaik forscht an hocheffizienten Solarzellen aus Perovskit. Eine Perovskit-Einfachzelle allein erreicht zwar noch keinen höheren Wirkungsgrad, denn auch Perovskit hat als Halbleiter eine begrenzte Bandlücke.

Die wahre Stärke des innovativen Materials zeigt sich aber darin, dass sich diese Bandlücke – anders als bei Silizium – steuern lässt, indem man die Zusammensetzung des Perovskitmaterials variiert. Verarbeitet man zwei Perovskite mit unterschiedlichen Bandlücken zu Dünnschicht-Solarzellen und verbindet diese, erhält man eine sogenannte Tandem-Solarzelle.

Eine Perovskit-Schicht fängt die Photonen mit hoher Energie, die andere diejenigen mit niedriger Energie. Somit lassen sich theoretisch Wirkungsgrade von bis zu 45% erzielen – deutlich mehr als die 33% bei Einfachzellen. Alternativ lässt sich auch eine Perovskit- mit einer Siliziumschicht zu einer hocheffizienten Tandemzelle verarbeiten.

Wirtschaftlich und flexibel einsetzbar

Perovskit-Solarzellen versprechen noch weitere Vorteile. Für Silizium-Solarzellen braucht es in der Regel hochreine Monokristalle, die bei hoher Temperatur hergestellt werden. Perovskit-Dünnschichten können dagegen gedruckt, verdampft oder aus der Lösung abgeschieden werden, mit einem entsprechend niedrigen CO2-Fussabdruck. Kleine Defekte, die dabei entstehen, beeinträchtigen ihre optoelektronischen Eigenschaften nur wenig.

Positive Aussichten gibt es mit der effizienteren Technik auch hinsichtlich Wirtschaftlichkeit. Denn je höher der Wirkungsgrad, desto günstiger wird unter dem Strich die Solaranlage. ‹Die Zelle selbst macht weniger als 20% der Kosten für eine Fotovoltaik-Anlage aus›, sagt Fu. ‹Die restlichen 80% entfallen auf die Verkabelung, die Wechselrichter, die Steuerung und natürlich den Arbeitsaufwand für die Installation.›

Steigert man die Effizienz der einzelnen Zellen, reicht für dieselbe Stromproduktion eine kleinere – und somit günstigere – Anlage. Auch können Dünnschichtzellen aus Perovskit auf leichten, flexiblen Folien hergestellt werden, anstatt auf schweren, starren Glasplatten wie Siliziumzellen. Dadurch lassen sie sich auch vielfältiger einsetzen, etwa auf Autodächern oder auf Bauwerken mit geringer Tragkraft.

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