Solarforschung für die Energiewende: Kongeniale Verbindung: Solarzelle trifft Keramik

19.11.2019 – Im Zuge der dezentralen Energiewende ist die Solarenergie einer der wichtigsten Bausteine auf dem Weg zu einer CO₂-neutralen Energieversorgung. Solarenergie ist mittlerweile auch so kostengünstig, dass sie ohne Subventionen auskommt und weltweit boomt. Kein Grund, nicht weiterzuforschen, um die Technologie noch weiter zu perfektionieren.

Während die Effizienz und Wirkungsgrade der Solarzellen stetig gesteigert werden und mit neuen Materialen experimentiert wird, wollen Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Projekt Neuartige flüssig-applizierte keramische Solarzellen, kurz KeraSolar, ein grundlegend neues Solarzellenkonzept entwickeln. Dabei wird die Photovoltaik-Forschung mit keramischen Funktionsmaterialien verbunden, um so die Vorteile verschiedener Solarzellentechnologien zu bündeln: Die Druckbarkeit organischer sowie die Langzeitstabilität kristalliner Solarzellen kombiniert mit der Ferroelektrizität des Bleihalogenid-Perowskits.  Perowskit ist ein Salzkristall und könnte den Wirkungsgrad von Solarzellen erheblich steigern. Ein multidisziplinäres Forscherteam des KIT hatte bereits Belege für sog. ferroelektrische Mikrostrukturen gefunden und konnte damit die Eigenschaften moderner Perowskit-Solarzellen nachweisen.

Große Synergieeffekte erwartet

Für das nun geplante und bisher einzigartige Materialkonzept werden keramische Funktionsmaterialien mit verschiedenen Solarzellenkonzepten verbunden – und davon große Synergieeffekte erwartet.Das neue Projekt ist am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE) des KIT angesiedelt, dessen Programmatik sich an den großen Forschungsthemen rund um die Energiewandlung und -speicherung orientiert. Die neuen Funktionsmaterialien, die für die Gestaltung einer neuen Solarzellengeneration vorgesehen sind, werden aus Keramikwerkstoffen hergestellt, die eine extrem gute Robustheit und Langzeitbeständigkeit versprechen, erläutern die KIT-Forscher.

Moderne Solarzellen müssten jedoch weit mehr Eigenschaften besitzen: Sie sollten beliebig formbar und integrierbar sein, um so quasi jede Fläche in ein Sonnenkraftwerk zu verwandeln. Ihre Produktion dürfe so wenig Energie wie möglich verbrauchen, die Herstellungsprozesse sollten ohne giftige Substanzen auskommen und die notwendigen Rohstoffe ausreichend verfügbar sein. Und genau hier kämen die Vorteile keramischer Funktionsmaterialien zum Tragen, erläutern die Wissenschaftler: Denn diese bieten „nahezu unendliche Möglichkeiten, Elemente und Verbindungen miteinander zu kombinieren und so maßgeschneiderte Materialeigenschaften zu erzielen.“ Dem Projektteam eröffne sich damit ein großes, neues Forschungsfeld.

Sechs Jahre hat das KIT-Forscherteam jetzt Zeit, um dieses Forschungsfeld zu nutzen, um Solar und Keramik kongenial zu kombinieren. Geld dafür gibt es von der Carl-Zeiss-Stiftung, die das Projekt mit 4,5 Millionen Euro fördert – was die Wissenschaftler natürlich sehr freut und ihnen den Rücken für die Forschung freihält. Teams aus unterschiedlichen wissenschaftlichen Disziplinen – Elektrotechnik, Materialwissenschaften, Physik und Chemie – werden an dem Projekt mitwirken. Das alles zusammen mache es möglich, „ein solch herausforderndes Forschungsprojekt auf die Beine zu stellen“, sagen die Projektleiter. Eine neue, speziell für das Projektteam von KeraSolar eingerichtete experimentelle Plattform solle in Zukunft dabei helfen, die Solarzellenforschung des KIT langfristig und nachhaltig zu prägen. na