Perowskit macht Solarzellen noch effizienter

In den vergangenen Jahren gab es bei den Grundstückspreisen nur eine Richtung: nach oben. Der Trend auf den nationalen und internationalen Immobilienmärkten ist längst auch bei Agrar- und Nutzflächen angekommen – diese Entwicklung hat auch Auswirkungen auf den Ausbau der Erneuerbaren Energien. Nachdem die Kosten für Erzeugungsanlagen selbst in den vergangenen Jahren rasant gefallen sind, gewinnt der Faktor Fläche an Bedeutung.

Der en:former hat bereits mehrere Ansätze vorgestellt, neue Flächen für Windkraft- oder Solarstromanlagen zu erschließen. Für eine bezahlbare Energiewende ist es aber ebenso wichtig, Standorte so effizient wie möglich zu bewirtschaften.

Die Photovoltaik-Branche hat in den letzten Jahren bereits einiges in dieser Hinsicht geleistet. Im Jahr 2010 hatten monokristalline Solarzellen einen Wirkungsgrad um die 15 Prozent. Heute sind 20 bis 22 Prozent normal. Allerdings ist das Ende der Fahnenstange absehbar. Der aktuelle Labor-Weltrekord für reine Siliziumzellen – ohne Konzentration des Sonnenlichts – liegt nach Angaben des UR-Forschungsinstituts NREL bei 26,7 Prozent, das theoretische Maximum nach heutigem Kenntnisstand bei 29,4 Prozent.

Perowskit als Effizienz-Booster

Nun haben Forscher der britischen Unternehmen Oxford PV Anfang 2021 im Labor einen Wirkungsgrad von 29,5 Prozent erreicht. Das unter Forschern offene Geheimnis heißt „Perowskit“. Das Mineral kommt wie Silizium in der Erdkruste vor, kann aber auch künstlich hergestellt werden. Seit etwa sechs Jahren experimentieren internationale Forscherteams mit Perowskit. Die raschen Fortschritte haben die Hoffnung geweckt, den Wirkungsgrad von kommerziellen PV-Modulen mit Perowskit zu steigern.

Als besonders vielversprechend gelten sogenannte Tandemmodule. Darin werden verschiedene Halbleitermaterialien miteinander kombiniert. Die Verbindung aus Perowskit- und Siliziumwafern ist besonders vorteilhaft, weil Silizium vor allem die rote und infrarote Strahlung des Sonnenlichts umwandelt, Perowskit dagegen kann auch längere und deshalb energiereichere Frequenzen des Lichtspektrums in Strom umwandeln.

26 Prozent für das Hausdach

Oxford PV, das bereits seit einigen Jahren zu den führenden Unternehmen bei Perowskit-Solartechnologien zählt, hat nun ein serienreifes Tandem-Modul entwickelt, das nach Unternehmensangaben mindestens 26 Prozent des eintreffenden Sonnenlichtes in Strom umwandeln kann.

Damit will man nun als erstes Unternehmen weltweit in die kommerzielle Produktion gehen. Seit 2017 betreibt das Unternehmen eine kleine Produktionsstätte in Brandenburg an der Havel, in der die Serienproduktion in kleinem Umfang getestet und optimiert wurde. Nun hat Oxford PV den Standort vergrößert, ab 2022 sollen dort hocheffiziente Solarmodule für das Hausdach vom Band laufen.

„Die Produktionskapazität in Brandenburg genügt zunächst nicht, um andere Segmente zu bedienen“, erklärte Chief Technology Officer Chris Case dem en:former. „Wir haben Pläne für eine wesentlich größere Fabrik mit einer Kapazität von mindestens einem Gigawatt pro Jahr. Damit könnten wir auch kommerzielle Kunden und Betreiber von Solarparks bedienen.“

Wirtschaftlicher und nachhaltiger

Nicht nur bei Oxford PV ist man überzeugt, dass Tandem-Module auf Perowskit-Silizium-Basis einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten können: „Mit einem Wirkungsgrad von 28 Prozent sind sie reinen Silizium-Zellen wirtschaftlich und ökologisch überlegen“; sagt Jan Christoph Goldschmidt, der die Technologie am Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) erforscht.

Die Mehrkosten in der Herstellung seien perspektivisch gering. Dennoch brauchten die Module wohl eine Lebensdauer von etwa 25 Jahren oder mehr, sagt Goldschmidt: „Das ist wichtig, um Investoren und Geldgeber zu überzeugen.“

Weiterhin großes Potenzial

Ein ökologisches Problem der Photovoltaik besteht aber auch mit Perowskit weiter: der Bleianteil in den Modulen. Auch Oxford PV verwendet laut Chris Case sehr kleine Mengen Blei: „Wir sind deswegen bisher auf keine größeren Bedenken bei unseren Kunden gestoßen. Es gibt keine sinnvollen Alternativen für hocheffiziente Solarzellen.“ Goldschmidt bestätigt das: „Wir forschen am Fraunhofer ISE nach Alternativen, um Perowskit-Solarzellen ohne Blei herzustellen, aber bis wir eine kommerzialisierbare Lösung haben, werden sicher noch zehn Jahre oder mehr vergehen.“ Für wirklich bedenklich hält Goldschmidt das Schwermetall in den Modulen von Oxford PV nicht.

Das gilt umso mehr, als bei der Effizienz noch viel Luft nach oben ist: In der Theorie ist eine Ausbeute von 43 Prozent möglich, erklärt Case: „Wir haben einen Zeitplan für unsere Zellen auf 33 Prozent zu bringen.“ Langfristig halte er 40 Prozent für realistisch: „In mehr als 65 Jahren Entwicklung hat Silizium 26,7 von 29 möglichen Prozent erreicht. An Perowskit-Silizium forschen wir gerade einmal sechs Jahre. Es gibt also noch einen großen Spielraum.“