Perowskit-Solarzellen: Neue Technologie mit stärkerem Stromfluss

Forscher der Marthin-Luther Universität Halle Wittenberg haben einen Durchbruch in der Solarforschung erreicht. Mit einer neuen Materialkombination konnten sie einen bis zu 1000x stärkeren Stromfluss messen, als bei einer herkömmlichen Solarzelle. Nun liegt es an den Forschern, die Ursachen für diesen Effekt herauszufinden und für die weitere technische Entwicklung nutzbar zu machen. Solarzellen marktfähig zu machen und damit einen maßgeblichen Beitrag zur Energiewende beizutragen.

Mehr Power mit Perowskit-Solarzellen? Interview mit Prof. Dr. Roland Scheer

Der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen

Photovoltaikmodule werden bereits mehrere Jahrzehnte erfolgreich eingesetzt, anfangs nur für die Raumfahrt, bald aber auch für den privaten Nutzen. Heute sind viele Dächer mit Photovoltaikanlagen ausgestattet. Seit der Markteinführung wurde immer wieder geforscht, um den Wirkungsgrad der Solarzellen zu verbessern. Denn die Solarmodule nutzen nur einen kleinen Teil des Lichtspektrums. Ein großer Teil der Sonnenenergie geht also verloren. Das sollte mit einem besseren Wirkungsgrad verbessert werden. Denn in der Photovoltaik wird ein großes Potential vermutet: Die Sonne scheint rund um die Uhr, auf dem ganzen Planeten und ist kostenlos. Energieversorgung durch Photovoltaiktechnik ist also eine gute Möglichkeit, die gesamte Bevölkerung mit nachhaltigem Strom zu versorgen. Die aktuell verwendeten Solarmodule werden mit kristallinem Silizium hergestellt. Sie erreichen einen Wirkungsgrad von maximal 22%.

Die Funktionsweise von Solarzellen

Photovoltaikmodule bestehen im Grunde aus drei verschiedenen Siliziumschichten. Davon bildet eine Schicht den Negativ-Pol, eine den Postiv-Pol und die Schicht dazwischen wird als Grenzschicht bezeichnet. Damit die Schichten ihre Ladung erhalten, also Positiv und Negativ, werden sie dotiert. Dazu wird dem Silizium ein geringer Teil Bor bzw. Phosphor zugemischt. Dadurch ergibt sich die jeweils positive oder negative Ladung. Trifft nun Sonnenlicht auf die Solarzelle, regen die Photonen im Sonnenlicht die Elektronen im Modul an und es entsteht eine Spannung. Diese Spannung kann von einem Verbraucher abgenommen werden und steht uns dann als Strom zur Verfügung.

Solarthermie versus Photovoltaik …und was ist der Unterschied?

Die Solarzellen bestehen also aus einer Mischung unterschiedlicher Materialien. Um die Effizienz der Solarzellen zu erhöhen wird allerdings schon lange mit anderen Materialien experimentiert. Mit den Perowskit-Solarzellen zahlen sich diese Experimente nun aus

Die Funktionsweise von Perowskit-Solarzellen

Die neuen Perowskit-Solarzellen nutzen sogenannte ferroelektrische Materialien. Solche Stoffe besitzen positive und negative Ladungen, die zu einer asymmetrischen Struktur führen. Diese Struktur ermöglicht es dem Material unter Lichteinfluss Strom zu erzeugen. Damit können die ferroelektrischen Stoffe den aktuellen Solaraufbau mit einer negativ- und einer positiv dotierten Schicht ablösen. Die besten Ergebnisse wurde dabei bisher mit einer Kombination des ferroelektrischen Gemischs Bariumnitrat mit Schichten aus Strontium- und Calciumnitrat erreicht. Strontium- und Calciumnitrat sind zwar nicht ferroelektrisch, können aber mit leichten modifizierten Strukturen ferroelektrisch werden. Die Kombination aus drei verschiedenen Schichten sorgt dafür, dass möglichst viel Sonnenlicht absorbiert werden kann und damit auch möglichst viel Solarstrom produziert werden kann. Reines Bariumnitrat könnte nur sehr wenig Sonnenlicht einfangen und entsprechend wenig Solarstrom generieren.

Perowskit-Solarzellen müssen noch verbessert werden

Die Ergebnisse mit den Perowskit-Solarzellen geben Hoffnung, dass sich die Photovoltaik in Zukunft noch verbessern kann. Allerdings sind die neuartigen Solarzellen noch nicht marktreif. Derzeit sind sie gegenüber Umwelteinflüssen sehr empfindlich. Im Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit reagieren die Materialien und verlieren damit ihre Wirkungskraft. Es muss also noch dafür gesorgt werden, dass die Solarzellen vor Luft und Feuchtigkeit geschützt werden. Wie auch für Silizium-Module wäre eine Einbettung in einen Glasrahmen möglich.

Wo kann man die Perowskit-Solarzellen kaufen?

Da die Technik bisher noch nicht ausgereift ist, werden Perowskit-Solarzellen bisher nicht serienmäßig produziert. Dennoch haben sie die beiden Unternehmen Meyer Burger und Oxford PV bereits 2019 zusammengeschlossen, um die Perowskit-Solarzellen gemeinsam auf den Markt zu bringen. Seit Juli 2021 wurde diese Zusammenarbeit aber wieder aufgelöst. Oxford PV zog sich aus dem Abmachungen zurück und möchte die Solarzellen möglicherweise anderweitig auf den Markt bringen.

Was bedeuten die Perowskit-Solarzellen für die Zukunft der Photovoltaik?

Die Perowskit-Solarzellen zeigen vor allem, dass in der Photovoltaik noch ein großes Potential verborgen liegt. Die gemessenen Werte zeigen zum einen, dass die Grenzen der Photovoltaik noch nicht erreicht sind. Zum anderen lässt es auch hoffen, dass Photovoltaik in Zukunft immer rentabler wird. Mit einfacheren Herstellungsweisen sinken die Anschaffungskosten für PV-Anlagen. Gleichzeitig verspricht der höhere Wirkungsgrad einen größeren Ertrag und damit auch eine höhere Rendite. Die Perowskit-Solarzellen sind also nicht nur auf wissenschaftlicher Ebene ein Durchbruch, sondern auch für die Zukunft der Solarenergie und den Umstieg auf erneuerbare Energien. Photovoltaik nimmt damit eine immer größere Rolle in unserer Zukunft ein.