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Wie eine Solarzelle mit höherem Wirkungsgrad entsteht

Die Silizium-Solarzellen von heute haben ihre Grenzen, da sie nur die Energie eines einzigen Energiebereichs des Lichts absorbieren. Deshalb baut nun das EU-finanzierte Projekt PERTPV einen neuen Solarzellentyp auf Perowskitbasis. Ergebnis dessen sollten leistungsfähigere, nachhaltigere Solarmodule mit höherem Wirkungsgrad zum Nutzen des Menschen wie auch des Planeten sein.

©Thinapob #356332578, source stock.adobe.com 2021

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Solarzellen bzw. photovoltaische Zellen absorbieren Sonnenlicht und wandeln die in ihm enthaltene Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie um. Werden sie zu einem Solarmodul zusammengesetzt, können diese Zellen ausreichend Strom erzeugen, um ein Haus, eine Schule oder ein Bürogebäude mit Strom zu versorgen. Oder sie können den Strom direkt in das Stromnetz einspeisen.

Auch wenn Silizium das am häufigsten für Solarzellen verwendete Material ist, so ist es doch nicht der einzige Werkstoff. Tatsächlich bieten andere Materialien eine potenzielle Chance auf höhere Wirkungsgrade, vielseitigere Anwendungen und ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis. Das gilt beispielsweise für Perowskit, jenes Material, das die gleiche Kristallstruktur wie das Mineral Kalziumtitanat aufweist.

„Beim Einsatz der Perowskite als Absorbermaterial hat sich herausgestellt, dass mit ihnen hocheffiziente Zellen hergestellt werden können, die nahezu den Wirkungsgrad traditioneller Siliziumzellen erreichen“, erklärt Henry Snaith, Professor an der Universität Oxford.

Aber wie können Perowskitzellen mit den bereits effizienten Siliziumzellen konkurrieren, die außerdem den Vorteil haben, dass sie in großem Maßstab hergestellt werden können? Snaith zufolge liegt die Antwort im höheren Wirkungsgrad begründet – auf den das EU-finanzierte Projekt PERTPV hinarbeitet.

Zellen zu stapeln erhöht die Spannung und den Wirkungsgrad

Womit Perowskitzellen im Gegensatz zu ihrer Siliziumverwandtschaft punkten, ist ihre Vielseitigkeit. „Es ist möglich, die Perowskitzusammensetzung zu verändern, um verschiedene Energiebänder des Lichts zu absorbieren“, erläutert Snaith. „Das bedeutet, dass, anstelle das gesamte Licht von einem einzigen Material absorbieren zu lassen, wie es bei Silizium der Fall ist, zwei oder mehr Zellen übereinander gestapelt und somit verschiedene Wellenlängenbereiche des Sonnenlichts absorbiert werden können.“

Snaith erklärt weiter, dass diese Eigenschaft wichtig sei, da die verschiedenen Energiebänder des Sonnenlichts grundsätzlich verschiedene Energieniveaus enthalten. „Eine Solarzelle kann nur so viel Spannung erzeugen, wie der Wellenlängenbereich des Lichts hergibt, den sie absorbieren kann“, stellt er fest. „Durch Stapeln der Zellen kann der Bandbereich vergrößert und somit sowohl die Spannung als auch der Wirkungsgrad erhöht werden.“

Gegenwärtig beschäftigt sich die Ausgründung der Universität Oxford (Oxford PV) damit, Perowskite auf Silizium zu stapeln. Ziel ist, nächstes Jahr ein kommerzielles Produkt auf den Markt zu bringen. Das Projekt PERTPV geht hier noch einen Schritt weiter und stapelt ausschließlich Perowskitzellen aufeinander.

„Unser oberstes Ziel ist, sowohl bei Perowskitzellen mit breiter als auch mit schmaler Bandlücke hohe Wirkungsgrade zu realisieren“, berichtet Snaith. „Auf diese Weise werden wir Tandemzellen mit einem Wirkungsgrad von 30 % liefern können, bei denen Perowskit auf Perowskit gestapelt ist.“

Es gibt noch viel zu tun

Das Projekt kann bereits einige vielversprechende Ergebnisse vorweisen. Beispielsweise liegt das Perowskit mit breiter Bandlücke, das die Oberseite des Stapels bildet und auf dem das Sonnenlicht zuerst auftrifft, nur knapp unter dem angestrebten Wirkungsgrad. Außerdem beobachtet das Forschungsteam eine relativ gute Stabilität des Materials mit geringer Bandlücke, das aus einer Mischung aus Zinn und Blei besteht.

Laut Snaith bildet der Wirkungsgrad des Perowskits mit geringer Bandlücke eine echte Herausforderung. „Dort liegt der Wirkungsgrad immer noch bei nur 18 bis 19 % und wir müssen ihn unbedingt auf 23 % bringen, um die Tandemzelle mit 30 % Wirkungsgrad verwirklichen zu können“, erklärt er. „Mit den von uns realisierten Wirkungsgraden sollten wir durchaus in der Lage sein, eine Zelle mit 25 % Wirkungsgrad vorzulegen, aber wir müssen diese Zahl noch etwas erhöhen.“

Neben der Entwicklung der Technologie an sich beschäftigt sich das Projektteam zudem mit der Frage, wie die Tandem-Perowskit-Zellen am besten hergestellt werden können. „Im Prinzip sind alle Teile vorhanden, wir müssen sie nur noch zusammensetzen und ausliefern“, fügt Snaith hinzu. „Ich bin zuversichtlich, dass wir bis zum Ende des Projekts eine hocheffiziente Tandem-Perowskit-Zelle vorweisen können.“

Und auch wenn es extrem schwierig sei, Zeitpläne vorherzusagen, betont Snaith, dass er sich vorstellen könne, dass die Perowskit-Mehrfachsolarzellen innerhalb der nächsten fünf Jahre als umsetzbare – und durchaus nachhaltige – Alternative zu den Silizium-Solarzellen auf dem Markt zu finden sein werden.

„In der Entwicklung der Perowskitzellen liegt die Chance, eine bereits nachhaltige Industrie noch zu verbessern. Deshalb ist die Finanzierung von Forschungsvorhaben wie dem Projekt PERTPV so überaus wichtig“, so Snaith abschließend.

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Einzelheiten zum Projekt

Kurztitel des Projekts
PERTPV
Projekt-Nr.
763977
Projektkoordinator
Vereinigtes Königreich
Projektteilnehmer:
Finnland
Deutschland
Italien
Litauen
Niederlande
Spanien
Schweiz
Vereinigtes Königreich
Aufwand insgesamt
€ 4 996 041
EU-Beitrag
€ 4 996 041
Laufzeit
-

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