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20.04.2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Solarzellen mit Perowskit erlauben sehr dünne Bauweise

Autor:
Frank Urbansky
2:30 Min. Lesedauer

Aktuelle Forschungsarbeiten rücken das Kristall Perowskit in den Mittelpunkt, das eine sehr dünne Bauweise erlaubt. Ob es Silizium verdrängen kann, ist offen. Denn noch gibt es ungeklärte Fragen.

Das Mineral Perowskit, ein Kalzium-Titan-Oxid, das auch Spuren anderer Metalle enthalten kann, eignet sich unter anderem zum Herstellen von Solarmodulen: "die Eigenschaften von Perowskit für die Solarzellen-Verwendung ist in seinem Kristallgitter begründet […]: Trifft ein Lichtteilchen darauf, regt es mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Elektron an. Im Perowskit sind diese freien Elektronen sehr langlebig und lassen sich dann als elektrischer Strom abgreifen", erklärt Springer Vieweg-Autor Hartmut Frey in seinem Buchkapitel Solarenergienutzung durch optimale Gebäudegestaltung auf Seite 180 die Erzeugung des Solarstroms. Deswegen sei es die vielleicht vielversprechendste Art von Dünnschichtmodulen.

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Dennoch gibt es einige noch zu lösende Probleme. So ist die Lebensdauer der Zellen gering. Einige verwendete Komponenten, insbesondere Blei, sind im Gegensatz zu Silizium giftig. Und für große Solarparks reicht die Skalierbarkeit nach oben nicht aus. Außerdem müssten die Komponenten vor Feuchtigkeit geschützt werden.

Andere Lichtspektren verwertbar

Dem gegenüber steht ein großer Vorteil, den Silizium nicht aufweisen kann: Perowskit, vor allem in der Version von Halid-Perowskiten, die auch organische Anteile enthalten, kann grünes und blaues Licht verwerten. Bei Silizium ist dies bei roten und infraroten Bereichen der Fall. Deswegen könnten sie auch in Tandem-Solarzellen Verwendung finden. Bei dieser Konstruktion werden zwei Arten von Solarzellen gekoppelt. Die oberen Zellen können kurzwelliges Licht verarbeiten und lassen langweiliges Licht hindurch, das wiederum von den unteren Zellen in Strom umgewandelt wird. Hinzu kommt ein Wirkungsgrad von über 23 Prozent. Der von monokristallinen Siliziumzellen liegt bei etwa 15 Prozent.

Gerade diese Vorteile lassen derzeit Wissenschaftler nach Möglichkeiten suchen, Perowskit-Solarzellen für großflächige Anwendungen zu entwickeln. In dem Projekt Printero arbeiten Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit dem Technological Educational Institute of Western Greece aus Patras an Prototypen, die sich nicht nur in der Größe, sondern auch in Form und Farbe frei gestalten lassen. Sie sollen etwa als großflächige Module an Gebäudehüllen dienen.

Das könnte ein großes Problem lösen: Die Zellen sollen mittels Tintenstrahl druckbar werden, was aufgrund ihrer physikalischen Struktur möglich ist. Denn herkömmliche industrielle Herstellungsverfahren, wie sie für Siliziumzellen angewandt werden können, funktionieren bei Perowskit nicht. Mit dem Druck sollen gleichzeitig lumineszierende Schichten für unterschiedliche Farbeindrücke und den Schutz vor schädlicher UV-Strahlung implementiert werden.

Wird ein wirtschaftlich darstellbares Druckverfahren gefunden, das sich auch für große Anwendungen eignet, stünde der Verwendung von Perowskit in verschiedenen architektonischen Anwendungen nichts mehr im Wege. "Ein bemerkenswertes Beispiel der letzten Jahre stellen sogenannte Perowskit-Solarzellen dar, bei denen mithilfe von organisch-anorganischen Hybridmaterialien bereits wenige Jahre nach ihrer Entdeckung Wirkungsgrade von über 20 Prozent erreicht werden konnten", beschreiben die Springer-Autoren Holger Dau, Philipp Kurz und Marc-Denis Weitze in ihrem Buchkapitel Künstliche Photosynthese: Eine Analyse in Teilprozessen auf Seite 104 diese erstaunliche Entwicklung, die noch lange nicht abgeschlossen zu sein scheint.

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