Hocheffizient und vielseitig

Befreundete Materialien

Doch das ist noch nicht das Ende der Geschichte. „Silizium und Perowskit müssen nicht in Konkurrenz zueinander stehen, sondern lassen sich auch als Freunde betrachten, die gemeinsam den Photovoltaikmarkt aufmischen“, sagt Michael Saliba. Er meint damit, dass Perowskit-Materialien auf Siliziumzellen aufgebracht werden können. Die resultierenden Tandemzellen nutzen ein besonders breites Spektrum des Sonnenlichts. Denn während Silizium Licht vor allem im roten und infraroten Bereich einfängt, sind Perowskit-Materialien vor allem für das blaue und grüne Licht empfänglich. „Damit übertreffen die Tandemzellen beim Wirkungsgrad jede Einfachzelle – sei es aus Silizium oder aus dem effizienteren, aber teureren Galliumarsenid“, kommentiert Saliba.

Welche Effizienz in den nächsten Jahren nach den Erwartungen der Experten erreichbar ist, machen die Ziele eines Forschungskonsortiums deutlich, gebildet vom Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH), dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Firma Centrotherm international in Blaubeuren bei Ulm. „Wir wollen bis Mitte 2023 in einem Leuchtturmprojekt eine Silizium-Perowskit-Tandemzelle realisieren, die einen Wirkungsgrad von 33 Prozent aufweist“, sagt Sascha Wolter, Leiter des Projekts 27plus6. Die 27 im Projektnamen verweist auf den Wirkungsgrad, den die Siliziumzelle, isoliert betrachtet, erreichen soll: Das ISFH hält den erwähnten 26,1-Prozent-Weltrekord.

Solarmodule, die Licht besonders effizient in Strom umwandeln, haben allerdings nur dann einen praktischen Wert, wenn sie das über 20 oder gar 30 Jahre hinweg tun – und nicht bereits nach wenigen Wochen aufgrund von Frost, Hitze, Regen oder häufigem Wechsel der Lichtintensität schlapp machen. Die Perowskit-Solarzellen, die Forscher Anfang der 2010er-Jahre herstellten, lieferten meist schon nach wenigen Stunden kaum noch Strom. „In vielen Projektbeschreibungen steht bis heute, dass die Langzeitstabilität der Perowskit-Zellen mangelhaft ist“, sagt Saliba, der auch eine Wissenschaftlergruppe des Forschungszentrums Jülich leitet. „Doch ob das so noch stimmt, ist zweifelhaft.“

Fortschritte bei der Stabilität

Denn in den letzten zwei bis drei Jahren gab es erhebliche Fortschritte: Immer mehr Zellen bestehen die Tests für den Langzeitbetrieb, wie sie in der IEC-61215-Norm für Photovoltaikmodule vorgesehen sind. Demnach darf sich zum Beispiel der Wirkungsgrad von Modulen etwa nach 1000 Stunden bei einer Temperatur von 85 Grad Celsius und hoher Luftfeuchtigkeit oder nach vielfachen Kälte-Wärme-Zyklen von minus 40 bis 85 Grad Celsius kaum verschlechtern.

Und Frank Averdung, Geschäftsführer des britischen Unternehmens Oxford PV, betont: „Die Probleme mit der Langzeitstabilität von Perowskiten, auf deren Schilderung man beim Googeln stößt, haben wir gelöst.“ Oxford PV baut derzeit in Brandenburg mit Unterstützung von Risikokapitalgebern und Fördermitteln der EU und des Landes Brandenburg eine Produktionslinie für Tandemsolarzellen auf, die 2022 in Betrieb gehen soll. „Es gibt keinen Anlass, daran zu zweifeln, dass unsere Module die übliche Lebensdauer von 30 Jahren auf dem Dach haben werden“, so Averdung.

Offene und wohl gehütete Geheimnisse

Oxford PV hält seit Dezember 2020 mit 29,15 Prozent den Wirkungsgrad-Weltrekord für diese Zellenart, wobei die Zelle im Labor hergestellt wurde und mit einem Quadratzentimeter sehr klein ist. Das Unternehmen geht davon aus, dass die in Brandenburg produzierten großflächigen Solarmodule einen Wirkungsgrad von mindestens 27 Prozent haben werden. Wie genau die sogenannte Hochskalierung gelöst wurde, also die Übertragung der Herstellung kleiner Zellen im Labor auf ein industrielles Produktionsverfahren, verrät Oxford PV nicht. „Selbstverständlich haben wir unser Know-how durch mehr als 350 Patente und Patentanmeldungen abgesichert. Und wir wollen unseren technologischen Vorsprung nicht durch zu große Offenheit aufs Spiel setzen“, sagt Averdung.

Auf welche Weise Perowskit-Solarzellen grundsätzlich hergestellt werden, ist indessen kein Geheimnis. Im Helmholtz-Zentrum Berlin erforschen, vergleichen und verbessern drei Nachwuchsgruppen vor allem folgende Verfahren:

„Prinzipiell lassen sich mit allen drei Prozessmethoden zuverlässig gute Perowskit-Zellen herstellen. Wir gehen davon aus, dass auch alle drei geeignet sind, im industriellen Maßstab große Flächen mit Perowskit-Materialien zu beschichten“, sagt Eva Unger, Leiterin der Gruppe „Hybride Materialien Formierung und Skalierung“. Besonders angetan haben es der Chemikerin die lösungsbasierten Techniken: „Sie zeichnen sich durch eine hohe Materialeffizienz aus: Nahezu alles eingesetzte Material findet sich nachher in der Solarzelle wieder“, sagt sie.

Eine Chance für Europa

Oxford-PV-Geschäftsführer Frank Averdung sieht in der Silizium-Perowskit-Tandemtechnologie eine Chance für Europa, wieder in die Produktion von Photovoltaik-Modulen einzusteigen. 2019 kamen 66 Prozent der Module auf dem Weltmarkt aus China und 18 Prozent aus anderen asiatischen Ländern. „Bei Massenware gewinnt derjenige mit den tiefsten Taschen und der größten staatlichen Unterstützung. Doch bei einer neuen umwälzenden Technologie werden die Karten neu gemischt“, sagt Averdung. Sascha Wolter vom Institut für Solarenergieforschung bläst in das gleiche Horn: „Die Geschichte zeigt, dass es sich für Europa wirtschaftlich immer gelohnt hat, an Spitzentechnologien zu arbeiten.“

Perowskit-Materialien bieten nicht nur eine Möglichkeit, die wichtigste erneuerbare Energieressource – die Sonnenenergie – effizienter als bisher auszunutzen. Sondern sie könnten auch dazu führen, dass uns die Photovoltaik künftig allgegenwärtig umgibt. Denn aus ihnen lassen sich Solarzellen herstellen, die sehr biegsam, dünn und leicht sind. Das macht sie zu einer verheißungsvollen Energiequelle für tragbare Elektronikgeräte und für Objekte, die über das Internet verknüpft sind, also beispielsweise für Sensoren und Regler in Bewegungsmeldern, Bewässerungsanlagen, Maschinen oder Smart-Home-Anwendungen.

Die Verwendung von photovoltaischer Energie sei für autonome Objekte des Internets der Dinge (Internet of Things) „eine vielversprechende Strategie, um die Notwendigkeit eines Batteriewechsels zu umgehen und einen nahtlosen Dauerbetrieb zu ermöglichen“, schrieb das polnische Start-up-Unternehmen Saule Technologies im April 2020 in einer Pressemitteilung. Darin teilte die Firma mit, dass sie zur Weiterentwicklung entsprechender Solarmodule eine Förderung von 4,35 Millionen Euro durch das polnische Staatliche Zentrum für Forschung und Entwicklung erhalten hatte.

Vor Kurzem hat Saule sein erstes kommerzielles Produkt vorgestellt, für das es weltweit Lizenznehmer sucht: eine Außenjalousie, die mit Perowskit-Solarmodulen ausgestattet ist. Indem man die Lamellen der Jalousie in ihrer Orientierung verstellt, lässt sich der dahinterliegende Raum abschatten und der Energiegewinn der Solarmodule optimieren.

Wenn Eva Unger vom Helmholtz-Zentrum Berlin ein Unternehmen gründen wollte, würde sie momentan allerdings eher auf die hocheffizienten Tandemzellen setzen als auf biegsame und formbare Perowskit-Zellen für das Internet der Dinge. Denn das marktwirtschaftliche Potenzial der Tandemsolarzellen sei weit größer und attraktiver. Außerdem, meint Unger: „Während man es bei Solarzellen für Dächer und Kraftwerke recht gut verhindern kann, dass die üblicherweise enthaltenen geringen Bleimengen in die Umwelt geraten, wäre die Kontrolle über den Verbleib des gesundheitsschädlichen Bleis bei perowskitbeschichteten Alltagsgegenständen kaum möglich“, sagt Unger.

Noch hat die Wissenschaft trotz intensiver Suche keine Alternative für das Blei gefunden, mit der sich Module bauen lassen, die vergleichbar effizient und robust sind. Den weltweit Tausenden Perowskit-Forschern geht die Arbeit wohl so schnell nicht aus.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…