Photovoltaik: Endlich haltbare Perowskit-Solarzellen vorgestellt
Seit 15 Jahren sind Dünnschicht-Perowskit-Solarzellen der große Hoffnungsträger für billige und effiziente Photovoltaik. Das größte Problem war dabei die Haltbarkeit, die bei den vielen Rekordzellen in Minuten gemessen wurde.
Doch der chinesische Hersteller Utmo Light(öffnet im neuen Fenster) , ein Ableger des Akkuherstellers SVolt, der zu Great Wall Holdings gehört, gibt nach standardisierten Tests mit den neuen Perowskitzellen 10 Jahre Garantie auf stabile Leistung und 25 Jahre Funktionsgarantie ohne plötzlichen Leistungsabfall, wie PV-Magazine berichtet(öffnet im neuen Fenster) .
Das ist eine deutlich schlechtere Lebensdauer als bei herkömmlichen Siliziumzellen, stellt für die Technik aber einen großen Schritt dar. Die Module, die auf der chinesischen Solarmesse SNEC in Shanghai vorgestellt wurden, sind 60 cm breit und 120 cm lang, mit einer Spitzenleistung von 110 bis 130 W, was einer Effizienz von rund 15 bis 18 Prozent entspricht. Später sollen sie in größeren Formaten hergestellt werden.
Die Zellen werden direkt auf Glas aufgebracht und sind teildurchlässig für Licht, weshalb sie das Unternehmen als dekorative Elemente für Häuser verwenden will. Das ist wegen der vergleichsweise kurzen Lebensdauer zur Zeit allerdings noch ein fragwürdiger Anwendungsfall, der vorzeitig hohe Kosten für den Austausch alter Solarpanele nach sich ziehen dürfte, wenn das Haus langfristig Strom erzeugen soll.
Außerdem ist die Verfügbarkeit der Zellen noch stark eingeschränkt. Einige Kilowatt sollen bereits installiert sein, bis Ende 2024 soll die installierte Gesamtleistung ein Megawatt übersteigen. Eine Fabrik mit 1 GW jährlicher Produktionskapazität(öffnet im neuen Fenster) befindet sich seit letztem Jahr im Aufbau, sie soll 2027 fertiggestellt sein. Deren Module sollen bei voller Produktionskapazität noch rund 100 Euro pro kW kosten.
Tandemzellen sollen mehr Energie gewinnen
Ähnlich niedrige Preise lassen sich jetzt schon mit Siliziumzellen erreichen. Aber Perowskite könnten langfristig nicht nur noch günstiger werden, sondern auch effizientere Solarzellen ermöglichen. Deshalb sind die vergleichsweise langlebigen Zellen eine wichtige Entwicklung, denn die transparenten Perowskitzellen sind ein guter Tandempartner für Siliziumzellen.
Perowskitzellen sind physikalisch bedingt durchlässig für langwelliges Licht, das zu wenig Energie hat, um Elektronen in das Leitungsband des halbleitenden Perowskitmaterials zu befördern und damit in Strom umzuwandeln. Mit Silizium kann das verbleibende Licht genutzt werden, zumindest wenn es nicht durch ein anderes Material blockiert wird.
Siliziumzellen absorbieren zwar ebenfalls kurzwelliges Licht und wandeln es in Strom um, allerdings geht dabei ein großer Teil der Energie verloren. Denn die Photonen in kurzwelligem Licht haben viel mehr Energie, als nötig ist, um die gebundenen Elektronen im Kristallgitter des Siliziums in einen Zustand zu versetzen, in dem sie sich frei im Gitter bewegen können.
Diese zusätzliche Energie wird in Wärme umgewandelt und geht damit verloren. Aber zusammen mit Perowskiten kann im Endergebnis mehr Energie aus dem gleichen Licht gewonnen werden.
Silizium macht ungenutzte Photonen zu Strom
Elektronen in Perowskiten benötigen mehr Energie von den Photonen des Lichts, um aus dem gebundenen Zustand befreit zu werden. Allerdings kann aus jedem Elektron mehr elektrische Energie gewonnen werden oder anders ausgedrückt: Die Zelle liefert beim gleichen Stromfluss eine höhere Spannung. Umgekehrt ist das Material durchlässig für alles Licht, das nicht genug Energie hat, um die Elektronen überhaupt aus dem gebundenen Zustand zu befreien.
Perowskite können also nur einen kleineren Anteil der Photonen im Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, gewinnen dafür aber pro Photon mehr Energie als Silizium. Dabei bleibt das Material für die ungenutzten Photonen transparent, weil gebundene Elektronen nur Photonen absorbieren können, die genug Energie haben, um sie in einen Zustand mit höherer Energie zu versetzen.
Aber in jedem Halbleiter gibt es eine Lücke zwischen den möglichen Zuständen, die nur mit genug Energie von den Photonen überwunden werden kann. Alle andere Photonen durchdringen das Material, ohne mit den Elektronen darin zu interagieren, deshalb ist es transparent.
Über 30 Prozent Effizienz sollen erreicht werden
Die ungenutzten Photonen können hinter der Perowskitzelle noch von einer Siliziumzelle absorbiert und genutzt werden, wobei es sich hauptsächlich um oranges, rotes und infrarotes Licht handelt. Zusammen können die beiden Zellen damit auf einer gegebenen Fläche mehr Energie erzeugen als Silizium- oder Perowskitzellen für sich allein.
Utmo Light plant, Module mit Tandemzellen und einer Effizienz von mehr als 30 Prozent zu entwickeln, während die aktuelle Generation von Modulen mit Siliziumzellen rund 22 Prozent erreicht. Einen Zeitplan gibt es dafür noch nicht. Doch die Firma wird von ihrem Mutterkonzern dafür wohl ausreichend Zeit und Geld zur Verfügung gestellt bekommen.
Die vergleichsweise geringe Steigerung der Effizienz von 22 auf 30 Prozent kann dennoch eine viel höhere Preissteigerung möglich machen. Denn die Module machen durch den Preisverfall heute oft nur einen Bruchteil der gesamten Installationskosten von Solaranlagen aus, besonders auf Dächern. Eine 36 Prozent höhere Leistung durch höhere Effizienz kann deshalb bei ansonsten gleichem Aufwand eine Steigerung der Modulkosten um deutlich mehr als 36 Prozent rechtfertigen.
Perowskite machen Fenster mit Solarzellen möglich
Einige oft diskutierte Anwendungen kommen dadurch zustande, dass Perowskitmaterial nicht wie Silizium als ein großer Kristall erzeugt und dann in 150 Mikrometer dünne Scheiben geschnitten wird. Stattdessen wird es direkt als wenige Mikrometer dünne Schicht aufgebracht.
Das könnte die Fertigung deutlich günstiger machen und den Bau flexibler Solarzellen ermöglichen. Allerdings wird die praxistaugliche Lebensdauer der Perovskite derzeit nur durch die luftdichte Verkapselung des Materials zwischen starren Glasscheiben ermöglicht.
Jedoch können zwischen den Partikeln in den Perowskitzellen auch absichtlich Lücken gelassen werden, die mehr Licht durchlassen, inklusive der kurzwelligeren blauen und grünen Lichtanteile. Das verringert zwar die Stromerzeugung, ermöglicht aber den Bau von fast beliebig gefärbten Fensterscheiben mit integrierten Solarzellen. Dafür sollte die Lebensdauer aber noch weiter verbessert werden, um die typische Lebensdauer eines Fensters zu erreichen.