Perowskit – die große Solar-Hoffnung

Effizient, günstig, vielfältig: Die Erwartungen an Solarzellen aus Perowskit sind hoch. An der Berliner Hochschule für Technik wird im Projekt StaPeLu an dem vielversprechenden Material geforscht. Eine der größten Schwierigkeiten bereitet ausgerechnet das Sonnenlicht.

Perowskit-Solarzelle
Photovoltaikanlagen basieren bislang auf Silizium-Zellen (links). Wissenschaftler*innen forschen an Solarzellen aus Perowskit, die von einem schützenden Mantel (o. r.) umgeben sind und aus mehreren Schichten (u. r.) bestehen.Bild: Digitalstock, nevodka.com – stock.adobe.com; StaPeLu

Mit den gestiegenen Energiepreisen infolge des Ukraine-Kriegs hat das Interesse an Solarzellen deutlich zugenommen. Von den Photovoltaik-Anlagen, die auf dem Markt erhältlich sind, basieren rund 95 Prozent auf Silizium. So verbreitet der Halbleiter in der Solarwirtschaft auch ist, seine Kosten sind relativ hoch und dies bei begrenzter Energieausbeute. Der Wirkungsgrad, also wie viel Strom aus der Sonnenenergie hervorgeht, liegt in der Praxis bei 22 bis 24 Prozent. Eine deutliche Leistungssteigerung in der Zukunft erwartet Prof. Dr. Bernd Stannowski am Fachbereich II nicht. „Die Silizium-Solarzelle ist bald ausgereizt.“

Einen verheißungsvollen Nachfolger sehen Wissenschaft und Solarwirtschaft in Solarzellen aus dünnen Schichten, die auf Metall-Halogenid-Perowskit basieren. Mit diesem Verbindungshalbleiter lässt sich Sonnenlicht effizienter, günstiger und vielfältiger nutzen. „Noch ist die kommerzielle Nutzung eine Zukunftsprojektion“, gibt Stannowski zu bedenken, einer der Leiter des Forschungsprojekts StaPeLu. Wissenschaftler*innen der Berliner Hochschule für Technik (BHT), der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW Berlin) und des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) forschen darin an den Grundlagen von Perowskit-Solarzellen.

Solarzellen auf Folie

Im Vergleich zu Silizium sollen sie sich billiger herstellen lassen. Die Perowskit-Schicht sei 200 Mal dünner als ihr Silizium-Pendant, so der Photovoltaik-Experte. Es werde weniger Material benötigt, das ohnehin preiswert verfügbar sei. Auch der Energieaufwand für die Herstellung sei niedriger. Während herkömmliche Solarzellen aus Silizium bestehen, setzt sich Perowskit aus vielen Komponenten zusammen. „Man kann die Materialzusammensetzung sehr vielfältig variieren und die Eigenschaften verändern.“

So können Photovoltaik-Anlagen bereits auf Zellebene in verschiedenen Farben oder halbdurchsichtig produzieren werden. An Fassaden fallen sie kaum auf. Auch soll es möglich sein, die Zellen auf Kunststofffolie zu drucken – und beispielsweise auf Fahrzeuge oder Lkw-Planen zu kleben. Außerdem seien Perowskit-Solarzellen weniger abhängig von direktem Lichteinfall. „Sie besitzen auch bei diffusem Licht eine gute Effizienz“, sagt Co-Projektleiter Prof. Dr. Andreas Bartelt von der HTW Berlin. Ein weiteres Einsatzgebiet sieht er im „Internet der Dinge“, also der digitalen Vernetzung verschiedener Geräte. Sie könnten vergleichsweise einfach, etwa über aufgeklebte Solarzellenfolien, eine Energieversorgung erhalten.

Noch sind Perowskit-Solarzellen weit von einer Marktreife entfernt. Äußere Einflüsse wie etwa Sauerstoff, Wasser oder Wärme führen recht schnell dazu, dass sich im Inneren die Verbindungen auflösen. Dasselbe kann ausgerechnet auch die Lichtstrahlung verursachen, ohne die keine Solarzelle auskommt. „Das Licht muss natürlich in die Zelle“, sagt Bartelt, der darin eine der größten Herausforderungen in der Zellentwicklung sieht.

Im Projekt StaPeLu, das vom Institut für angewandte Forschung (IFAF) gefördert wird, arbeiten die Wissenschaftler*innen an Methoden, die die Solarzellen widerstandsfähiger machen sollen. An der HTW Berlin werden die Materialien in den Perowskit-Zellen gezielt Stressfaktoren wie Feuchtigkeit, Wärme und Licht ausgesetzt. Über Spektroskopie-Verfahren wird dann untersucht, wie sich dies auswirkt und wie das Material verbessert werden kann.

Kommerzielle Perowskit-Solarzellen

Der zweite StaPeLu-Ansatz beschäftigt sich mit der Verkapselung der Photovoltaik-Zelle. Indem die Forscher*innen die Perowskit-Solarzellen von der Außenwelt abschotten, reduzieren sich die schädlichen Einflüsse von Sauerstoff und Wasser. Dazu werden die Solarzellen zwischen zwei Glasscheiben versiegelt, vergleichbar mit einem Doppelglas-Isolierfenster. Während BHT- und HZB-Forscher*innen die Verkapselungen in der Praxis testen, untersuchen ihre HTW-Kolleg*innen die Proben anschließend auf mikroskopische Schädigungen. Dafür kommen Mikroskop-Lichtspektrum-Analysatoren zum Einsatz.

Stannowski geht davon aus, dass in fünf bis zehn Jahren mit kommerziellen Perowskit-Solarzellen zu rechnen sei. Allerdings sei das wirtschaftliche Potenzial enorm, da die Hersteller kaum noch den Wirkungsgrad der Silizium-Zellen steigern könnten. Bislang sei dies der effektivste Weg gewesen, um die Kosten zu senken. Und da kommt Perowskit ins Spiel. „Es gibt bislang keine Technologie, die dasselbe leisten kann.“ Stannowski kann sich vorstellen, dass zunächst Solarzellen auf den Markt kommen, die die Silizium- und Perowskit-Technologien kombinieren. An diesen Tandemsolarzellen werde weltweit und am Berliner HZB geforscht. „Der Effekt wäre gigantisch, da die Firmen den Wirkungsgrad deutlich steigern und die Kosten senken könnten, wobei sie ihr Produkt, also das Solarmodul nur geringfügig anpassen müssten.“

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