Strom aus Licht

Theorie und Praxis

Mit derartigen Anwendungsmöglichkeiten hatte weder Albert Einstein noch Robert Millikan gerechnet. Einstein hatte 1905 den photoelektrischen Effekt theoretisch erklärt und Millikan etwa zehn Jahre später diese Herleitung im praktischen Experiment bestätigt. Beide erhielten unabhängig voneinander den Physik-Nobelpreis für die Wechselwirkung von Licht mit Materie. Einstein hatte erkannt, dass Licht aus einzelnen Energiepaketen (Photonen) besteht, deren Größe von der Wellenlänge abhängig ist. Trifft das Licht auf Materie, so kann ein Photon die passende Energiemenge liefern, um ein Elektron in einem Atom in einen angeregten Zustand zu versetzen oder das Elektron sogar vom Atom zu trennen.

Das aktivierte Elektron kann sich im Material bewegen und so kann elektrischer Strom fließen. Die meisten Solarzellen unterstützen diesen Effekt noch dadurch, dass sie zwei voneinander getrennte Schichten haben: eine mit Elektronenüberschuss und eine, der Elektronen fehlen. Erreicht wird dies, indem das Silizium, aus dem die Solarzellen bestehen, gezielt beispielsweise mit Bor- und Phosphoratomen verunreinigt wird. Physiker nennen das eine Dotierung.

Derzeit wird in der Photovoltaik fast ausschließlich Silizium für den Massenbetrieb verwendet. Dabei zeigen auch andere Elemente und Verbindungen den photoelektrischen Effekt. Wie viel Energie ein Photon besitzen muss, um ein Elektron photoelektrisch anzuregen, ist eine spezifische Eigenschaft eines Materials, die sich mit der Zusammensetzung und der Struktur verändert. Deshalb sind Solarzellen ein schwieriges Feld für die Forschung. Die Kunst besteht darin, Materialien zu finden, die ausreichend Licht in Strom verwandelt, aber gleichzeitig stabil, preiswert und einfach herzustellen sind. Gemischte Kristalle wie Cadmiumtellurid oder Galliumarsenid erreichen beispielsweise höhere Wirkungsgrade als Silizium, aber sie sind teuer und giftig. Der höhere Wirkungsgrad resultiert daraus, dass ein Photon die Elektronen im Galliumarsenid ohne zusätzlichen Aufwand direkt aktivieren kann. Im Vergleich zum Silizium muss das Photon weniger tief in das Material eindringen. Ein Zehntel der Strecke reicht für die Absorption aus, deshalb lassen sich mit Galliumarsenid sehr dünne Solarzellen herstellen. Das Material ist in der Raumfahrt beliebt. Sehr dünnbeschichtete Sonnenkollektoren liefern nicht nur Gewichtsvorteile, sie produzieren gleichzeitig auf derselben Fläche auch noch mehr Strom als Siliziumzellen. Zudem hält Galliumarsenid der intensiven Sonnenstrahlung im Weltraum besser Stand.

Hoffnungsträger Perowskite

Doch der wachsende Bedarf an Solarzellen hat auch weltweit die Forschung an neuen Materialien attraktiver gemacht. Einer der größten Hoffnungsträger der Wissenschaft sind derzeit die Perowskite. Perowskit ist ursprünglich der Name einer bestimmten Kristallstruktur, die erstmals in einem Calciumtitanoxidmineral, dem Perowskit, bestimmt wurde. Diese Anordnung der Atome begünstigt elektrische Effekte und das kann auch für die Absorption von Licht gelten. Der größte Vorteil liegt in der einfachen Herstellung: Während das monokristalline Silizium als ein einziger großer Kristall mit viel Energieaufwand aus einer abkühlenden Siliziumschmelze gezogen werden muss, lassen sich dünne Perowskite sogar mit einem 3D-Drucker drucken.

Perowskite bestehen aus mehreren Schichten, die meistens aus unterschiedlichen Metallen oder Metalloxiden aufgebaut werden. Mehr als 6000 verschiedene Varianten sind bekannt. Forschende experimentieren mit verschiedenen Materialien in den einzelnen Schichten und nutzen auch die Erkenntnisse aus der Dotierung von Silizium. Dadurch erzielen sie schnell Fortschritte. „Diese Technologien konnten ihre Lichtkonversionseffizienz in den letzten fünf bis zehn Jahren drastisch steigern und haben mittlerweile zu Silizium aufgeschlossen“, sagt Christoph Brabec vom Helmholtz-Institutes Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich. Seit Team hat im April 2023 die 3D-gedruckten Solarzellen vorgestellt.

Der Spitzenwert für den Wirkungsgrad der Perowskite liege im Labor mittlerweile bei 25,7 Prozent und damit nur noch knapp hinter dem Siliziumrekord von 26,7 Prozent, sagt Brabec. Die Forscher können stolz auf ihre Arbeit sein. Als japanische Wissenschaftler im Jahr 2009 ihre ersten Perowskit-Solarzellen präsentierten, erreichten diese nur einen Wirkungsgrad von etwa 3,9 Prozent.

Die Perowskite könnten sehr schnell im industriellen Maßstab eingesetzt werden, wenn sie mit herkömmlichen Solarzellen als Tandemmodule kombiniert werden. Dabei wird eine Perowskitschicht auf herkömmliche Silizium-Solarzellen aufgetragen  –  was einen entscheidenden Vorteil mit sich bringt: Bisher hat die Photovoltaik eine natürliche Begrenzung im Wirkungsgrad bei etwa 30 bis 40 Prozent, denn ein homogenes Material der Solarzellen kann nur einen bestimmten Teil des Lichts zur Anregung von Elektronen verwerten. Da die Perowskite ein anderes Energiepaket (Photonen mit höherer Energie) absorbieren als das Silizium, kann ein größeres Spektrum des Lichtes ausgenutzt werden. Die Perowskitschicht wird dafür so dünn gemacht, dass noch genügend Licht das darunterliegende Silizium erreichen kann. Auf diese Weise ließe sich der Wirkungsgrad weiter steigern. Doch bis dahin müssen die Forscher noch viel Arbeit leisten, denn die neuen Materialien sind noch nicht so stabil, dass sie jahrelang den Umweltbedingungen und der Sonne ausgesetzt werden können.

Dennoch verspricht sich Christoph Brabec von den Perowskiten viele Vorteile in der Anwendung, nicht nur weil sie auf verschiedene Oberflächen gedruckt werden können. Je nach Zusammensetzung kann der Werkstoff andere Farben annehmen, was Perowskite beispielsweise für Photovoltaik als Verkleidung von Gebäuden interessant macht. Die dünnen lichtdurchlässigen Schichten können zudem als transparentes Dach für Gewächshäuser oder als Element von Architektur verwendet werden.

Neue Technologien, neue Möglichkeiten

Diese speziellen Beispiele zeigen, dass Photovoltaik neue Anwendungsgebiete erobert und die Fantasie der Ingenieure anregt. Die derzeit vorherrschenden grauen und klobigen Siliziummodule zur Stromerzeugung mögen auf Hausdächern oder anderen großen Flächen noch ihre Zukunft haben, aber filigrane und für individuelle Anwendungen konzipierte kleine, dezentrale Kraftwerke ergänzen das Angebot. Solarzellen können sich in gewöhnlichen Dachziegeln verbergen oder als kleines Balkonkraftwerk Strom liefern. Der niederländische Autohersteller Lightyear hat ein Fahrzeug entwickelt, das komplett mit Sonnenenergie betrieben werden kann. Fünf Quadratmeter Solarzellen bedecken die Motorhaube, das Dach und den Kofferraum. Sie sollen genug Energie liefern, damit das sparsame Elektroauto unabhängig von Ladesäulen und Steckdosen unterwegs sein kann. Und die Firma Iworks aus Luxemburg hat eine PV-Anlage gebaut, die sich wie eine Markise einfahren lässt.

Aber auch die Siliziumzellen werden immer besser. Moderne Solarzellen können Sonnenlicht von beiden Seiten verwerten. Zum einen das Licht, das sie direkt von oben erreicht, zum anderen Licht, das beispielsweise durch Reflexion auf die Rückseite der Zelle trifft. Bei solchen sogenannten bifacialen Modulen werden transparente Rückseitenabdeckungen verwendet. Herkömmliche Solarmodule haben häufig eine Rückseite, die nicht verwertetes Licht innerhalb des Moduls zurückreflektiert. Dieser Effekt entfällt bei der bifacialen Variante, aber bei zahlreichen Anwendungen kompensiert der Stromgewinn über die Rückseite diesen Verlust.

Ein weiterer Weg, der die Wirkungsgrade verbessern soll, ist die Heterojunction-Technologie. Sie löst ein Problem, dass sich aus dem Aufbau der Solarzellen ergibt. Denn häufig werden die aktivierten Elektronen bereits während der Wanderung durch das Material entladen. Sie gehen dadurch verloren, noch bevor sie den Stromkreis erreichen. HeterojunctionZellen kombinieren monokristallines und ungeordnetes (amorphes) Silizum, zudem wird in den das Silizium in den neuen Modulen mit einer sogenannten passivierten Kontaktoberfläche versehen, die verhindert, dass die durch das Licht erzeugten Elektronen in einen Bereich entkommen können, der ihre Ladung kompensiert.

Gleichzeitig ergibt sich ein weiterer Vorteil. Die Heterojunction-Zellen sind dünner und biegsamer 87und lassen sich daher besser verarbeiten. „Die nächste Generation der Photovoltaik wird aus solchen passivierenden Kontaktsolarzellen bestehen“, sagt Kaining Ding, Entwickler von Solarzellen am Forschungszentrum Jülich. Doch Veränderungen in diesem Segment gehen langsam. Auf dem Solarmarkt sind die Produktionskosten der Zellen noch immer der ausschlaggebende Faktor für den Marktanteil. Bei der Heterojunction-Technologie stehen den Vorteilen aktuell noch die hohen Investitionskosten für den Bau neuer Fabriken gegenüber. In Deutschland produziert die Zellen jedoch bereits die Firma Meyer Burger an einem Standort im sächsischen Freiberg. Und auch in den USA und China werden bereits Fabriken dafür geplant.

Eine noch weitaus kostenintensivere Idee könnte dagegen Opfer des irdischen Erfolges werden: Die Raumfahrtnationen wollen Solaranlagen im Weltraum installieren und den Strom von dort in Form von Mikrowellenstrahlung zur Erde schicken. Das California Institut of Technology (CalTech) hat im März 2023 einen kleinen Prototyp in der Erdumlaufbahn getestet. Doch um damit einen nennenswerten Beitrag zur Energieversorgung zu leisten, wären dafür nicht nur dutzende kilometergroße Raumstationen im Weltraum nötig, sondern auch gigantische Empfangsstationen auf der Erde mit einem Flächenbedarf von hunderten Quadratkilometern.

Immerhin, Photovoltaik im Weltraum hätte einen Vorteil, den die Erde nicht bietet: Dort scheint die Sonne ununterbrochen, auf der Erde dagegen muss die Energie gespeichert werden, wenn sie auch nachts verwendet werden soll.