Perowskit: Solar-Potenzial der Zukunft?

Perowskit-Zellen sind eine vielversprechende Entwicklung im Solarbereich an dessen Marktreife aktuell viele internationale Teams forschen Sie bestehen aus einer speziellen Kristallstruktur und haben innerhalb kürzester Zeit Laborwirkungsgrade von bis zu 30 Prozent erreicht. Besonders vorteilhaft sind ihre kostengünstige Herstellung und die Fähigkeit, ein breites Spektrum an Licht aufzunehmen. Aber was genau macht diese Technologie so revolutionär und was sind die bestehenden Herausforderungen? Bis die Perowskite final ihren Weg in die Solarmodule finden, geben wir Ihnen in diesem Blogbeitrag einen Einstieg in die nächste Generation der Solarzellen.  

Was sind Perowskite?

Perowskite sind eine Klasse relativ häufig vorkommender Minerale, welche sich durch eine spezielle Kristallstruktur auszeichnen. Diese Verbindung aus Metall und Halogenen ist erstmalig 2009 von einem koreanischen Forscherteam für den Einsatz in Solarzellen untersucht worden. Perowskite können ein breites Spektrum des Sonnenlichts absorbieren, ermöglichen damit eine besonders effiziente Umwandlung in Elektrizität.

Wie sind Perowskit-Zellen aufgebaut und wie funktionieren sie?

Prinzipiell bestehen die Perowskit-Zellen aus einer oberen Elektrode, einer Schicht als Lochleiter, dem Perowskit-Absorber, einem Elektronenleiter, sowie einer unteren Elektrode. Das Grundprinzip folgt somit dem anderer Solarzellen: Das einfallende Licht wird von der Perowskit-Schicht absorbiert, was zur Bildung von Elektronen und "Löchern" führt. Elektronen sind negativ geladene Teilchen, während Löcher als positive Ladungsträger fungieren. Diese Ladungsträger werden durch spezielle Schichten, die als Elektronen- und Lochtransportmaterialien bezeichnet werden, getrennt und zur jeweiligen Elektrode geleitet. Diese Bewegung der Ladungsträger erzeugt den elektrischen Strom.

Perowskit-Solarzellen können Licht nicht nur aufzunehmen, sondern es auch wieder abgeben. Hierfür sorgt das sogenannte „Photonenrecycling“. Dabei werden die Lichtteilchen (Photonen) nach der Absorption wieder ausgesendet und dann erneut aufgenommen. Dieser Prozess kann die Effizienz der Solarzellen deutlich verbessern. 

Wirkungsgrad: Wie hoch ist er bei Perowskit-Zellen?

In den letzten zehn Jahren haben Perowskit-Solarzellen eine erstaunliche Entwicklung durchlebt. Ihr Wirkungsgrad hat sich von anfänglichen 3 Prozent auf über 20 Prozent erhöht. Besonders bemerkenswert sind die Fortschritte aus den letzten vier Jahren: 

• Dezember 2020: Oxford PV präsentiert eine Perowskit-Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 29,52 %
• November 2021: Das Helmholtz-Zentrum Berlin stellt eine ähnliche Zelle mit einem Wirkungsgrad von 29,80 % vor. 
• Juli 2022: Eine Tandem-Perowskit-Silizium-Solarzelle wurde vom Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie (CSEM) und der „École polytechnique fédérale de Lausanne“ (EPFL) entwickelt, die einen Wirkungsgrad von 31,25 % erreicht.  

Diese Werte übertreffen deutlich die Wirkungsgrade von 20–26 Prozent herkömmlicher siliziumbasierter Solarzellen. Mit diesen Ergebnissen zeigt die Forschung, dass Perowskit-Solarzellen weiterhin signifikante Effizienzgewinne erzielen könnten. Einige Schätzungen und wissenschaftliche Modelle legen nahe, dass insbesondere Tandem-Perowskit-Silizium-Zellen Wirkungsgrade von bis zu 35 Prozent oder sogar höher erreichen könnten.

Welche Vorteile haben Perowskit-Zellen?

Welche Nachteile weisen Perowskit-Zellen auf?

Blick in die Zukunft: Wann sind Perowskit-Zellen marktreif?

Perowskit-Solarzellen befinden sich derzeit in der Laborphase, zeigen jedoch großes Potenzial. Insbesondere als Tandemzellen in Kombination mit Silizium erreichen sie Wirkungsgrade von über 30 Prozent. Das EU-Projekt „SuPerTandem“ soll dabei helfen, die Effizienz von Solarzellen durch die Entwicklung von Perowskit-Silizium-Tandemzellen zu steigern. Um Produktions- und Stromkosten zu senken, werden Fertigungsprozesse entwickelt, die sich leicht an unterschiedliche Produktionsmengen anpassen lassen. Obwohl erste Perowskit-Silizium-Tandemzellen produziert werden, sind sie noch nicht kommerziell verfügbar. Herausforderungen wie die Verbesserung der Lebensdauer bei Umwelteinflüssen müssen vorerst bewältigt werden. Auch stellt die Weiterverarbeitung der Perowskit- und Tandem-Solarzellen zu einem Solarmodul immer noch eine Herausforderung dar. Daher variieren die Meinungen über den Markteintritt, aber einige Experten schätzen, dass zuverlässige Solarmodule mit Perowskit- oder Perowskit-Tandemzellen ab 2028 auf dem Markt erhältlich sind. Die fortlaufende Forschung und Entwicklung bleibt entscheidend und könnte die Solarenergiebranche auf ein neues Niveau heben.  wenn sie auf die Einspeisevergütung verzichten.