Photovoltaik: Perowskit-Solarzellen nähern sich der Marktreife

01.02.2024 – Im Labor erreichen neueste Silizium-Solarzellen Wirkungsgrade von fast 27 Prozent. in diesem Bereich ist aber Schluss. Mehr geht nicht. Forscher:innen auf der ganzen Welt liefern sich daher einen Wettstreit um immer höhere Wirkungsgrade mit neuen Materialien. Das Rennen scheinen Tandem-Solarzellen aus Perowskit und Silizium zu machen. Diese erreichen unter Laborbedingungen inzwischen Wirkungsgrade von 33,9 Prozent. Forscher:innen gehen davon aus, dass sich dieser Wert sogar auf über 40 Prozent steigern ließe.

Das Element Silizium ist weit verbreitet, wird aber zu mehr als der Hälfte des Weltmarktes in China aus Quarzsand gewonnen. Es kann besonders gut die energiearmen roten und infraroten Wellenlängen des Sonnenspektrums einfangen. Das Kristall Perowskit dagegen verwertet besonders gut energiereiches grünes und blaues Licht. Es gibt zahlreiche Fundorte von Perowskit in Europa, etwa in der Schweiz, Italien und Deutschland. Als Tandem können solche Solarzellen ein breites Lichtspektrum aufnehmen.

Das in Brandenburg ansässige Oxford PV – Ein Ableger der Oxford University – und das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) entwickelten nun das nach eigenen Angaben „effizienteste Silizium-Perowskit-Tandem Solarmodul der Welt im industriellen Format“. David Ward, Chief Executive Officer bei Oxford PV, sagt: „Dieser neue Weltrekord ist ein entscheidender Meilenstein für Oxford PV und beweist, dass unsere Tandem-Solarzellen eine rekordverdächtige Leistung erbringen können, wenn sie zu Solarmodulen montiert werden.“

„Effizienter als jedes Silizium-PV-Modul im industriellen Format“

Ein Forschungsteam des Fraunhofer ISE fertigte aus Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen von Oxford PV ein PV-Modul mit einem Wirkungsgrad von 25 Prozent und einer Leistung von 421 Watt auf einer Fläche von 1,68 Quadratmetern. „Damit ist es effizienter als jedes Silizium-PV-Modul im industriellen Format, das je gebaut wurde“, so Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik am Fraunhofer ISE. „Das für seine Herstellung massenfertigungskompatible Technologien eingesetzt wurden, belegt das enorme Potenzial der Tandem-Technologie für die PV-Industrie.“

für die temperatursensible Perowskit-Schicht entwickelte das Forschungsteam für die Verschaltung und Einkapselung der Solarzellen Niedertemperatur-Prozesse, die mechanisch besonders schonend für die Zellen sind. „Diese sind für die industrielle Massenfertigung geeignet und können auf kommerziellen Anlagen umgesetzt werden, eine Anpassung heutiger PV-Modulfertigungslinien ist gut umsetzbar.“ erläutert Achim Kraft, Gruppenleiter für Verbindungstechnik am Fraunhofer ISE.

Langlebigkeit verbessern

Perowskit hat die Eigenschaft leichtgewichtig und flexibel zu sein. Was grundsätzlich den Anwendungsbereich deutlich steigern könnte. Die Rede ist etwa von gebäudeintegrierter Photovoltaik oder auf Fahrzeugdächern. Auch die Umweltwirkung soll besser sein. Bislang aber war es um die Langlebigkeit und Stabilität der Perowskit-Schichten noch nicht so gut bestellt.

Steve Albrecht, Professor am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB), verweist indes auf die enorme Entwicklung in den letzten Jahren: „Als man diese Materialklasse im Jahr 2009 für die Solarforschung entdeckte, lag der Wirkungsgrad bei unter 4 Prozent und sank binnen Minuten. Inzwischen erreichen manche Perowskit-Solarzellen Wirkungsgrade von über 26 Prozent, andere schaffen Lebensdauern von mehreren Jahren. Wenn Perowskit-Solarzellen jedoch fest verbaut werden, sollten sie eine stabile Leistung über mehrere Jahrzehnte liefern. Dabei hilft, dass sich nun die Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen im Außeneinsatz immer zuverlässiger vorhersagen lässt.“ Auch die Tandem-Solarzellen von Oxford PV und Fraunhofer ISE sollen jetzt unter Realbedingungen getestet werden.

Ulrich Paetzold, Leiter der Abteilung Next Generation Photovoltaics am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), sieht noch einige technologische Herausforderungen in Hinsicht auf die Produktion der Technologie im großen Stil: „Skalierbare Produktionsverfahren müssen aufgrund der hohen Durchsätze in der Industrie sehr schnell, äußerst homogen und fehlerfrei die Perowskit-Schicht abscheiden. Letzteres ist eine aktuelle technologische Herausforderung.“ Für Albrecht liegt ein realistischer Markteintritt der Perowskit-Technologie bei 2 bis 5 Jahren. „Ein zunehmend wichtiges Thema im Energiesektor ist auch die die Unabhängigkeit von bestimmten Rohstoffen. Perowskite könnten hier einen Beitrag liefern, wenn sich eine Wertschöpfungskette in Europa ansiedelt. Dann wäre man mit dieser Technologie unabhängiger vom asiatischen Markt“, so Albrecht. mg