Tandem-Solarzellen: Geringere Umweltwirkung von Perowskitsolarzellen

13.07.2022 – Gleich zwei wichtige Meilensteine haben Forschende in Bezug auf die Perowskit-Anwendung bei der PV-Modulfertigung erzielt. Am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) wird seit Jahren intensiv an der Entwicklung von Perowskit-Solarzellen geforscht. Sie erreichen durch ihren Aufbau in mehreren Schichten mit verschiedenen Materialien eine höhere Lichtausbeute und damit höhere Wirkungsgrade.

Dabei kommen aber gesundheits- und umweltschädliche Lösungsmittel zum Einsatz, denn die Ausgangstoffe der Perowskite werden für die Beschichtung in speziellen Lösungsmitteln aufgelöst. Erst dann können sie gleichmäßig auf die Trägerfläche aufgebracht werden. Verwendet werden in der Regel Mischungen mit Dimethylformamid (DMF). Für eine industrielle Produktion bedeutet das hohe Mengen des gesundheits- und umweltschädlichen Lösungsmittels als Abfall und hohe Kosten für den Arbeitsschutz.

Deshalb wird fieberhaft nach industrietauglichen Lösungsmitteln gesucht. Aufgrund der benötigten chemischen Eigenschaften kommen jedoch nur wenige Stoffe in Frage. Das ZSW-Team hat nun genauer untersucht, ob reines Dimethylsulfoxid (DMSO) ein solches Lösungsmittel sein kann. Es ist eigentlich nicht geeignet, da seine Eigenschaften zu einer ungleichmäßigen Beschichtung der Solarzelle führen. Außerdem kann der Kristallisationsprozess der Zelle mit DMSO nur schlecht kontrolliert werden, so dass oft nur kleine Perowskit-Kristalle entstehen. Die Folge: Die Zelle erzeugt weniger Solarenergie.

Um dieses Problem zu lösen, wandten die ZSW-Forschenden zwei Kunstgriffe an. Mittels eines angepassten Filmziehverfahrens und einer verbesserten Trocknungsmethode konnten sie den Wirkungsgrad der mit DMSO produzierten Perowskit-Solarzellen deutlich steigern. Die beiden Optimierungen führen dazu, dass Schichten mit großen Kristalliten mit gleichbleibender Qualität entstehen.

„Die Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Fertigung“, sagt Teamleiter Jan-Philipp Becker vom ZSW und spricht damit die Schattenseite der Erfolgsgeschichte von Perowskit-Solarzellen an. Obwohl verschiedene Institute und der Hersteller Oxford PV seit Jahren die Serienfertigung vorantreiben und hohe Laborwirkungsgrade erreichen, gibt es bis heute keine industrielle Fertigung, die in großer Menge marktreife Produkte vorweisen kann.

Höherer Wirkungsgrad kompensiert Umweltbelastungen in der Herstellung

Fast zeitgleich mit der Erfolgsmeldung vom ZSW veröffentlichte das Helmholtz-Zentrum Berlin eine Studie, die die Umweltauswirkungen von Perowskit-Silizium-PV-Modulen untersucht hat. Die Studie wurde in Kooperation mit dem Hersteller Oxford-PV erarbeitet und bewertet erstmals die Umweltleistung von industriell hergestellten Perowskit-Silizium-PV-Modulen.

Aufgrund der längeren Lebensdauer und der höheren Erträge seien Perowskit-auf-Silizium-PV-Module umweltfreundlicher als herkömmliche Silizium-Heterojunction-Module, so das Fazit der Studie.

Das Forscherteam bewertete eine Reihe von Kategorien, darunter Wasserverbrauch, Toxizität für Mensch und Gewässer, Metallverbrauch und Material- und Energieaufwand für den gesamten Lebenszyklus eines Moduls von Anfang bis Ende: den gesamten Material- und Energieaufwand für die Waferproduktion, die Herstellung der Perowskit-Zelle und die Modulproduktion. Im Anschluss wurden die Umweltauswirkungen des Tandemmoduls gegen die während seiner Lebensdauer erzeugte Elektrizität abgewogen.

Der höhere Wirkungsgrad kompensiert die Umweltbelastungen, die durch das zusätzliche Perowskit-Material und die Herstellungsprozesse entstehen. Eine um 6 bis 18 Prozent geringere Umweltbelastung wird erreicht. Die Studie zeige auch, dass die Umweltverträglichkeit eines Perowskit-Silizium-Moduls in hohem Maße vom Energieverbrauch bei der Herstellung der Siliziumwafer beeinflusst wird. Oxford PV stellte für die Studie die Perowskit-auf-Silizium-Module und Prozessdaten aus seiner Serienfertigung in Deutschland zur Verfügung, heißt es in der Pressemeldung. Allerdings machte das Unternehmen keine genaueren Angaben, aus welchen Produktionsprozessen die Module stammen und ob es sich um eine Vorfertigung handelt. pf

Nachtrag am 13.07.2022: Auf Anfrage teilte Oxford PV mit, dass die Module anhand derer die Umweltwirkung errechnet wurde, von einem Auftragnehmer gebaut wurden und die Perowskit-auf-Silizium-Tandemsolarzellen aus der Fabrik von Oxford PV in Brandenburg enthalten. Es handelt sich dabei um Demonstrationsmodule, die nicht zum Verkauf angeboten werden. pf