Perowskit-Solarzellen: Vorteile, Nachteile und Möglichkeiten

Was sind Perowskit Solarzellen und wer hat sie erfunden?

 Perowskit ist ein sehr häufig vorkommendes Mineral aus der Gruppe der Titanate, das erstmals im Jahr 1839 vom Mineralogen Gustav Rose beschrieben wurde. Eine Besonderheit des Minerals ist seine typische Kristallstruktur, die von einem hybriden Material aus organischen und anorganischen Komponenten, dem Halid-Perowskite, getragen wird. 

Entdeckt wurde Perowskit von den Forschern Yasuo Shirai, Akihiro Kojima, Tsutomu Miyasaka und Kenjiro Teshima. Die Wissenschaftler konnten die photovoltaische Funktion von organisch-anorganischen Bleihalodgenid-Perowskit-Verbindungen 2009 nachweisen und begannen mit umfassenderen Forschungen in diesem Bereich.

Klassische Perowskit-Zellen zeigen eine hohe Instabilität und reagieren auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, UV-Licht, Hitze sowie auf mechanische Belastungen. Die Folge ist eine schnelle Degradation (natürliche Leistungseinbusse durch Alterung). Dies erschwerte die Forschung an einem grundsätzlich optimal geeigneten Halbleiter für den Einsatz in der Photovoltaik. 

Schlussendlich gelang Prof. Michael Grätzel von der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) und Prof. Hongwei Han von der Huazhong University of Science and Technology in China der Durchbruch. Sie entwickelten 2014 eine neue Perowskit-Solarzelle mit Kohlenstoff-Architektur. Das Ergebnis war eine vielversprechende Zelle für Solarmodule, die durch ihre Stabilität sowie die günstigen Produktionskosten überzeugen konnten.

Schematischer Aufbau der Solarzellen

Eine Perowskit-Solarzelle ist eine Dünnschichtzelle und besteht, wie auch die bekannten auf Silizium basierenden Solarzellen, aus mehreren Schichten. Mit der oberen und unteren Elektrode besteht eine Perowskit-Solarzelle aus fünf Schichten.

• Obere Elektrode
• Lochleiter für den Transport der positiv geladenen Ladungsträger (Löcher) zur oberen Elektrode.
• Absorptionsschicht aus Perowskit zur Aufnahme des auf die Solarzelle auftreffenden Lichts.
• Elektronenleiter transportiert die negativen Elektronen zur unteren Elektrode.
• Untere Elektrode

Zwischen der oberen und unteren Elektrode fließt der aus dem auftreffenden Sonnenlicht generierte Strom.

Wie funktionieren Perowskit Solarzellen?

Perowskit-Solarzellen nutzen das von Silizium-Solarzellen bekannte Prinzip der Photovoltaik. Dies bedeutet, dass ein Absorber das einfallende Licht aufnimmt. Durch die Lichtaufnahme entsteht Wärme und die Elektronen lösen sich aus dem Halbleiter, in diesem Fall nicht Silizium, sondern Perowskit.

Bei diesem Vorgang bilden sich negative und positive Ladungsträger. Über die Lochleiter wandern die positiven Ladungsträger zur oberen Elektrode, während die negativen Ladungsträger über die Elektronenleiter zur unteren Elektrode abgeleitet werden. Dadurch kommt es innerhalb der Perowskit-Solarzellen zum Stromfluss.

Nur Perowskit Solarzellen nutzen Photonenrecycling 

Allerdings bietet die Perowskit-Solarzelle mit dem sogenannten „Photonenrecycling“ eine zusätzliche und einzigartige Eigenschaft. Perowskit ist der einzige für die Photovoltaik geeignete Halbleiter mit dem Effekt der Photolumineszenz.

Bei diesem physikalischen Vorgang setzt ein Photon ein Elektron frei, das sich nach einer gewissen Lebensdauer mit einem positiv geladenen Ladungsträger vereint.

Dabei entsteht Energie in Form eines neuen Photons. Dieses Photon setzt wieder neue Elektronen frei, die sich mit einem positiv geladenen Ladungsträger vereinen. Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich mit der Folge einer deutlich höheren Energieproduktion als bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen.

Vorteile und Nachteile von Perowskit Solarmodulen

Zum aktuellen Zeitpunkt weisen Perowskit-Solarzellen noch verschiedenste Nachteile auf, die gegen die Serienproduktion von Solarmodulen mit Perowskit-Zellen sprechen. Doch die Erfahrungen aus der Forschung der vergangenen Jahre zeigen, dass diese nachteiligen Eigenschaften mit hoher Wahrscheinlichkeit in wenigen Jahren nicht mehr relevant sein werden.

Immerhin lag der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen zu Beginn der Forschung bei 3,8 %. Heute erreichen Solarzellen mit Perowskit einen Wirkungsgrad von beinahe 30 %. Dies ist im Vergleich zu 20 – 26 % bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen eine enorme Steigerung der Effizienz durch den Einsatz von Solarmodulen mit Perowskit-Zellen. Vor allem die Steigerung des Wirkungsgrades bietet noch interessante Ansätze, indem das Photonenrecycling noch weiter optimiert wird. 

Vorteile von Perowskit-Solarzellen

• sehr hoher Wirkungsgrad
• preisgünstig in der Herstellung
• unkomplizierte Verarbeitung
• ideal für Dünnschichtmodule 
• eignen sich als Tandem-Solarzellen

Nacheile von Perowskit-Solarzellen

• geringere Stabilität
• reagiert auf Feuchtigkeit empfindlich
• geringere Lebensdauer als Silizium-Solarzellen
• hohe natürliche Degradation von bis zu 10 % in den ersten Monaten
• erfordert den Einsatz von umweltschädlichem Blei

Perowskit-Solarzellen weisen noch Verbesserungsbedarf auf

 Zum aktuellen Zeitpunkt überzeugen Perowskit-Solarzellen gegenüber den bisher genutzten Silizium-Solarzellen durch den sehr hohen Wirkungsgrad, der sich mit Sicherheit noch weiter verbessern wird.

Ein weiterer positiver Aspekt ist die kostengünstige Produktion sowie die unkomplizierte Verarbeitung, da Perowskit aufgrund seiner Konsistenz problemlos aufgestrichen, aufgesprüht oder aufgedruckt werden kann. 

Trotz dieser Vorteile weisen Perowskit-Solarzellen noch umfassenden Verbesserungsbedarf auf. Ein Thema ist die immer noch zu geringe Stabilität aufgrund der Neigung zu ungeordnetem Kristallwachstums. Hinzu kommt die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit. 

Während Solarzellen auf Siliziumbasis einstweilen eine Nutzungsdauer von bis zu 30 Jahren erreichen, bei guter Pflege sogar noch mehr, sind Perowskit Solarzellen davon sehr weit entfernt.

<span class="highlight-section-orange">Ein weiteres wichtiges Thema ist der hohe Leistungsverlust von durchschnittlich 10 % innerhalb der ersten Monate. Bei Modulen auf Siliziumbasis lieg die natürliche Degradation bei jährlich ungefähr 0,5 %.</span>

Genauso sind noch intensive Forschungen erforderlich, um den aktuellen Zusatz von Blei in wasserlöslicher Form zu verhindern. Besonders problematisch daran ist, dass es sich bei Blei um einen stark umweltschädigenden Zusatzstoff der Perowskit-Solarzellen handelt, das sich leicht auswäscht. 

Es gibt bereits erste Erfolge bei der Herstellung von bleifreien Perowskit-Zellen. Allerdings reduziert sich dadurch der Wirkungsgrad drastisch und die Stabilität der Solarzelle leidet. Alternativen wie Zinnhalogenid-Perowskite oder Zinnfluorid als Additiv zu verwenden, sind weitere aussichtsreiche Ansätze. 

All diese Verbesserungen sind für die Forschung mit Sicherheit noch eine große Herausforderung. Angesichts der großen Erfolge der letzten Jahre sind sie jedoch keinesfalls unlösbar. 

Sind Perowskit-Solarzellen die Zukunft der Photovoltaik?

 Perowskit-Solarzellen sind auf jeden Fall Solarzellen der Zukunft, sobald die aktuell noch vorhandenen Probleme gelöst sind. Nicht nur der hohe Wirkungsgrad macht sie dazu, sondern auch die hoch effiziente Anwendung von Solarmodulen auf Basis von Perowskit-Solarzellen. 

Die kostengünstige Verarbeitung wirkt sich positiv auf die Preise für Endverbraucher aus. Durch den hohen Wirkungsgrad können zukünftige Besitzer einer PV-Anlage mit Modulen aus Perowskit-Zellen die verfügbare Fläche deutlich effizienter nutzen. Sie benötigen entweder weniger Dachfläche oder erhöhen den aktuell möglichen Autarkiegrad bei gleichem Flächenverbrauch wie bisher.  

Genauso erweitern sich die Anwendungsbereiche deutlich, da Perowskit-Zellen ideal für Dünnschichtmodule sind. Fassaden können in Zukunft mit diesen hocheffizienten Modulen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien verkleidet werden, Dächer von Autos genutzt werden.

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Tandem-Solarzelle mit Perowskit als bessere Alternative 

Perowskit spielt für die zukünftige Produktion von Einfach-Solarzellen eine eher geringere Rolle. Vielmehr bietet es die idealen Voraussetzungen für Tandem-Solarzellen. Die beiden Teilzellen, aus denen eine Tandem-Solarzelle besteht, weisen unterschiedliche Absorptionsbereiche auf. Eine Teilzelle absorbiert kurzwelliges Licht effektiver, die anderen Teilzelle langwelliges Licht. Damit wird das auf ein Solarmodul auftreffende Lichtspektrum optimal genutzt. 

Die Forscher des Berliner Helmholtz-Zentrums erzielten bei ihren Feldversuchen mit Tandem-Solarzellen mit Perowskit interessante Ergebnisse. Der praktische Test lief über einen Zeitraum von einem Jahr. <span class="inline-hightlight-orange">Dabei erreichten die teilweise aus Perowskit bestehenden Tandem-Solarzellen einen Wirkungsgrad von 29,15 %.</span>

Allerdings befindet sich die Tandem Solarzelle aktuell noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium. Daher wird noch längere Zeit vergehen, bevor die Technologie so weit ausgereift ist, dass sie marktreif ist und sich für die Großproduktion eignet. Aktuell ist vor allem der schnelle Leistungsverlust ein Problem. 

In die Zukunft gedacht, ist die Tandem Solarzelle aufgrund der stetig fortschreitenden Erkenntnisse und der intensiven Forschung auf jeden Fall eine wichtige Option für die zukünftig deutlich höhere erforderliche Effizienz.

Immerhin überzeugen die Solarzellen bereits heute durch einen Wirkungsgrad, der deutlich über dem von Einfach-Solarzellen liegt. Dies ermöglicht eine wesentlich effizientere Nutzung der verfügbaren Dachflächen.

Gibt es Perowskit Solarmodule bereits auf dem Markt?

 Obwohl die Wissenschaft seit mehreren Jahren intensiv an der kontinuierlichen Verbesserung der Perowskit-Solarzellen forscht, liegt die Marktreife dieser Solarmodule noch in der Zukunft.

In den Laboren laufen zwar umfangreiche Tests, die ausgesprochen erfolgversprechend sind. Es gibt jedoch noch verschiedene Verbesserungen, die zwingend erforderlich sind, um die Vorteile von Perowskit-Solarzellen gegenüber anderen Solarzellen zu stärken und die Nachteile so weit wie möglich zu beseitigen. 

Erste Forschungen zur industriellen Produktion

 Aktuell wird jedoch bereits an Methoden gearbeitet, die in der Serienproduktion umsetzbar sind. Ein für "Das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung" relevantes Thema ist der Beschichtungsprozess. Denn die für Perowskit-Solarzellen erforderlichen Ausgangsstoffe müssen für das Herstellungsverfahren in Lösungsmitteln aufgelöst werden.

Der entwickelte Beschichtungsprozess nutzt das umweltfreundliche Lösungsmittel DMSO (Dimethylsulfoxid), das ursprünglich nicht dafür geeignet war, da es den Kristallisationsprozess der Perowskit-Solarzellen negativ beeinflusst und den Wirkungsgrad reduziert. Dieses Problem konnte von den Forschern durch die Entwicklung eines speziellen Filmziehverfahrens gelöst werden.

<span class="highlight-section-orange">Obwohl die Marktreife noch ein Stück entfernt ist, ist davon auszugehen, dass die ersten Module mit Perowskit-Solarzellen in wenigen Jahren auf den Markt kommen.</span>

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