Perowskit-Solarzellen haben in den letzten Jahren erhebliche Aufmerksamkeit in der Forschung und Entwicklung von Photovoltaik-Technologien erregt. Sie gelten als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen, da sie sowohl kostengünstig herzustellen sind als auch hohe Wirkungsgrade erreichen können. Die Perowskit-Technologie besteht auf einem speziellen Material, basierend auf einer Klasse von Mineralen namens Perowskit. Diese Materialien weisen eine einzigartige kristalline Struktur auf, die eine effiziente Absorption von Sonnenlicht ermöglicht.
Günstige Herstellung und hoher Wirkungsgrad
Perowskit-Solarzellen können kostengünstig hergestellt werden, da die verwendeten Materialien im Vergleich zu Silizium günstiger und einfacher zu verarbeiten sind. Darüber hinaus erreichen Perowskit-Solarzellen einen hohen Wirkungsgrad und haben das Potenzial, die Effizienz von Solarzellen weiter zu steigern.
Nachteile der Solartechnologie mit Perowskit-Solarzellen
Allerdings gibt es auch einige Herausforderungen und Nachteile, die bei den Perowskit-Solarzellen berücksichtigt werden müssen. Zum einen sind sie weniger stabil als Silizium-Solarzellen und dabei anfällig für Feuchtigkeit und Hitze. Die Langzeitstabilität und Haltbarkeit der Perowskit-Solarzellen sind daher noch Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung. Zudem bestehen Bedenken hinsichtlich der Toxizität einiger Materialien, was die Umweltverträglichkeit der Technologie betrifft.
Aufbau der Perowskit-Solarzellen
Der Aufbau einer Perowskit-Solarzelle ähnelt dem von Farbstoffsolarzellen, bei denen die drei grundlegenden Schritte der Stromerzeugung aus Sonnenlicht in verschiedenen Materialien ablaufen. Ganz anders ist dies bei Siliziumwafer- und Dünnschichtsolarzellen.
In Perowskit-Solarzellen übernimmt der Absorber die Aufgabe, die Strahlung des Sonnenlichts aufzunehmen und dabei positive (“Löcher”) und negative Ladungsträger (Elektronen) zu erzeugen. Der untere Elektronenleiter leitet die Elektronen zur unteren Elektrode, während der obere Lochleiter die positiv geladenen Löcher zur oberen Elektrode transportiert. Durch Lochleiter und den Elektronenleiter kann Strom zwischen den beiden Elektroden fließen.
Der Absorber der Solarzellen besteht aus einem Material namens Perowskit, das eine große Gruppe von Materialien mit variabler Zusammensetzung umfasst, aber eine ähnliche Kristallstruktur aufweist. Zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen werden Salze wie Jod, Chlor und Brom in Kombination mit kleinen organischen Molekülen und Blei-Ionen verwendet. Diese Verbindungen können den gesamten sichtbaren Lichtbereich sowie den nahen Infrarotbereich für Stromerzeugung nutzen, was einen großen Vorteil darstellt.
Häufig wird zurzeit Methylammonium-Blei-Jodid als Absorbermaterial verwendet. Es werden aber auch weitere ähnliche Verbindungen erforscht, die in Solarzellen und anderen Anwendungen wie PV-Stromspeichern zum Einsatz kommen können.
Der Schichtaufbau einer Perowskit-Solarzelle von oben nach unten sieht wie folgt aus:
- Obere Elektrode: IZO (Indium-Zinkoxid)
- Lochleiter: Spiro-OMeTAD
- Absorber: Perowskit
- Elektronenleiter: TiO2 (Titan(IV)-oxid)
- Untere Elektrode: FTO (Fluordotiertes Zinnoxid)
Funktionsweise von Perowskit Solarzellen
Das grundlegende Funktionsprinzip der Photovoltaik kommt auch bei den Perowskit-Solarmodulen zu Einsatz. Der Absorber nimmt das Sonnenlicht auf und bewirkt damit die Freisetzung von Elektronen aus dem Halbleitermaterial. Dadurch entstehen negative Ladungsträger und positive “Löcher”. Über den Elektronenleiter und selektive Membranen, die entweder nur Elektronen oder nur Löcher durchlassen, gelangen die Elektronen zur unteren Elektrode, die positiv geladenen Löcher zur oberen Elektrode. Dadurch fließt der Strom innerhalb der Solarzelle.
Der wohl wichtigste Vorteil dieser Solarzellentechnologie ist das sogenannte “Photonenrecycling”, das zumindest bisher nur mit Perowskit möglich ist. Dieses Phänomen basiert auf der Photolumineszenz, bei der ein freigesetztes Elektron nach einer gewissen Lebensdauer mit einem Loch rekombiniert und dabei Energie freisetzt. Im Fall von Perowskit-Material führt dies zur Emission eines neuen Photons, wobei dieses seinerseits wieder Elektronen freisetzen kann.
Perowskit-Zellen werden oft zu Tandemzellen kombiniert, die aus mindestens zwei Teilzellen mit unterschiedlichen Absorptionsbereichen bestehen. Dadurch können sie sowohl kurzwelliges als auch langwelliges Licht effektiver nutzen. Das Gesamtspektrum des Sonnenlichts wird besser ausgenutzt als bei anderen Technologien, was den Wirkungsgrad der Solarzelle wesentlich erhöht. Bei der Kombination von Perowskit-Zellen ist es wichtig, dass die obere Zelle ausreichend Licht absorbiert, aber auch genügend Licht für die darunterliegende Zelle durchlässt. Typische Kombinationen für Perowskit-Tandemsolarzellen sind die folgenden:
- Perowskit-Silizium-Solarzellen
- Perowskit-Perowskit-Zellen.
- Perowskit-CIGS-Solarzellen (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid)
Vorteile und Nachteile der Perowskit-Solarzellen
Perowskit-Solarzellen bieten im Vergleich zu anderen Solarzellen zahlreiche Vorteile, aber auch einige Nachteile, die beachtet werden sollten. Hier finden Sie weitere Informationen dazu:
Vorteile von Perowskit-Solarzellen:
- Hoher Wirkungsgrad: Perowskit-Solarzellen haben bereits heute einen bemerkenswerten Wirkungsgrad. Sie lassen sich dabei relativ schnell, einfach und kostengünstig herstellen.
- Photonenrecycling: Einer der wichtigsten Vorteile der Perowskit-Solarzellen ist das sogenannte Photonenrecycling. Durch dieses Phänomen entsteht ein neues Photon, das weitere Elektronen freisetzen kann. Diese Eigenschaft ist bisher bei keiner anderen Art von Solarzelle vorhanden und bietet ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen.
- Tandemsolarzellen: Die Verwendung von Tandemsolarzellen ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad. Durch die Kombination von Perowskit-Zellen mit anderen Materialien kann eine optimale Ausbeute des Sonnenlichts erreicht werden.
Einige Forschungsergebnisse haben bereits beeindruckende Wirkungsgrade von bis zu mehr als 30 Prozent erzielt. Im Vergleich dazu liegen die Wirkungsgrade vieler anderer Solarzellen im Bereich von etwa 20 bis 25 Prozent.
Die Nachteile von Perowskit-Solarzellen:
- Stabilitätsprobleme: Perowskit-Kristalle wachsen nicht immer gleichmäßig, was zu Stabilitätsproblemen führen kann. Dies kann die langfristige Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Zellen beeinträchtigen.
- Kürzere Lebensdauer: Die Lebensdauer von Perowskit-Zellen ist im Vergleich zu Siliziumzellen geringer. Während Siliziumzellen problemlos 20 bis 40 Jahre an Lebensdauer erreichen, haben Perowskit-Zellen derzeit eine begrenzte Lebensdauer von maximal 20 Jahren. Es gibt jedoch vielversprechende Forschung, die darauf hindeutet, dass zukünftig hochwertige Zellen mit längerer Lebensdauer entwickelt werden können.
- Anfänglicher Effizienzverlust: In den ersten Monaten nach der Installation weisen Perowskit-Solarzellen einen signifikanten Verlust an Effizienz auf, der bis zu 10 Prozent betragen kann. Dieser Effekt beeinträchtigt die Gesamtleistung der Module sehr stark.
- Toxische Materialien und Feuchtigkeitsempfindlichkeit: Für die Produktion von Perowskit-Solarzellen werden giftige Materialien wie Blei verwendet. Zudem sind die Module anfällig für Feuchtigkeitsschäden, was ihre Massentauglichkeit einschränken kann.
Trotz dieser Nachteile werden kontinuierlich weitere Fortschritte in der Forschung und Entwicklung von Perowskit-Solarzellen erzielt, um diese Herausforderungen zu überwinden und ihre Leistung, Stabilität und Lebensdauer weiter zu verbessern.
Die Stabilität der Solaranlagen
Es gibt mehrere wichtige Gründe, warum die nächste Generation von Solaranlagen auf unseren Dächern wahrscheinlich noch nicht mit Perowskit-Technologie betrieben wird. An erster Stelle steht die Fragilität des Materials. Obwohl Perowskit-Zellen heutzutage stabiler sind als zuvor – früher zerfielen sie manchmal bereits beim Transport durch das Labor für Tests -, bleibt die Stabilität nach wie vor eine große Herausforderung. In einer aktuellen Studie wird eine neue Methode zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen mit Zusatzstoffen beschrieben, um den Wirkungsgrad und die Lebensdauer zu verbessern. Im Labor hielten diese Zellen unter Laborbedingungen schon großer Hitze und Feuchtigkeit stand. Diese Ergebnisse sind aber ohne Weiteres nicht auf reale Bedingungen übertragbar, da es für Forscher schwer ist, solche Bedingungen genau zu simulieren. Als Maß für Haltbarkeit gilt zurzeit Silizium. Viele Hersteller garantieren, dass ihre Silizium-Module 30 oder sogar 40 Jahre lang mindestens 80 Prozent ihrer Leistung behalten.
Probleme bei der Herstellung
Immerhin behielten Perowskit-basierte Zellen nach einigen Monaten noch über 90 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung. Dennoch ist ein Verlust von fast 10 Prozent in dieser Zeitspanne für potenzielle Nutzer kaum akzeptabel. Und dies ist leider nur der Anfang der Probleme. Ein weiteres Hindernis besteht darin, dass bisherige Tests ausschließlich mit winzigen Zellen durchgeführt wurden. Die Herstellung von größeren Zellen, die zu vollständigen Solarmodulen zusammengesetzt werden können, führt oft zu weiteren Rückschlägen hinsichtlich Wirkungsgrad und Lebensdauer. Der Zeitpunkt, an dem Perowskit-Technologie den Solarmarkt erobern wird, liegt also bisher noch etwas weiter in der Zukunft.
Weitere Fortschritte in der Forschung sind notwendig
Die Feinabstimmung von Perowskiten durch die Zugabe von Stabilisatoren und anderen Materialien, die sie vor den Elementen schützen, könnte letztendlich dazu führen, dass diese Solarzellen unter normalen Betriebsbedingungen mehrere Jahrzehnte lang halten. Dennoch geht man in der Forschung davon aus, dass es noch etwa ein Jahrzehnt dauern wird (Stand 2023), bis die Perowskit-Technologie einen bedeutenden Fortschritt in kommerzieller Hinsicht verzeichnet.
Bedarf an Solarzellen gibt es genug
Es besteht ein echter Bedarf an neuen Arten von Solarzellen, insbesondere da die Nachfrage nach Silizium und anderen traditionellen Bestandteilen von Solarmodulen stetig steigt. Die Perowskit-Technologie muss nicht zwangsläufig mit Silizium in Konkurrenz stehen, da sie auch in Tandemzellen eingesetzt werden kann, bei denen eine Schicht aus Perowskit mit einer Siliziumzelle kombiniert wird. Die beiden Materialien absorbieren unterschiedliche Wellenlängen des Lichts, deshalb könnten sie sich sogar gegenseitig ergänzen. Dennoch wird es eine Weile dauern, bis die Stabilität von Perowskit-Zellen verbessert ist und Fortschritte erzielt werden können. Die Forscher, die sich mit dieser Technologie beschäftigen, sind jedoch entschlossen, nicht aufzugeben.
Perowskit-Solarzellen bieten interessante Möglichkeiten
Trotz dieser Herausforderungen eröffnen Perowskit-Solarzellen interessante Möglichkeiten für die zukünftige Solarindustrie. Ihre Flexibilität ermöglicht die Integration in verschiedene Formfaktoren wie etwa gebogene oder transparente Module. Zudem können Perowskit-Solarzellen potenziell kostengünstige und effiziente Lösungen für die Solarenergiegewinnung bieten, insbesondere in Bereichen mit geringerer Sonneneinstrahlung.
