Solarzellen der Zukunft

Energie der Sonne effektiver als je zuvor nutzen

Die Kraft, mit der die Sonne auf die Erde strahlt, könnte den weltweiten Energiebedarf um ein Vielfaches decken. Bereits heute betrage die Gesamtleistung der installierten Photovoltaik-Module in den USA rund 60 Gigawatt, eine Menge, die sich in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich verdoppeln werde, und China habe seine PV-Leistung allein 2017 um fast 60 GW erhöht. Das berichtet Dr. Stephen Battersby in einem Beitrag in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). In der Zwischenzeit hätten Verbesserungen in der PV-Modultechnologie den Preis für Solarstrom gesenkt, so dass er mit anderen Stromquellen in vielen Teilen der Welt konkurrenzfähig sei.

“Das ist kein schlechter Anfang. Aber um diese Energieflut voll auszunutzen und einen echten Einfluss auf die globalen CO2-Emissionen zu haben, muss die PV in Terawatt-Regionen vordringen – und konventionelle Module könnten das erschweren”, schreibt Battersby. Die meisten PV-Module basierten auf Zellen aus halbleitenden Siliziumkristallen, die typischerweise etwa 15 bis 19 Prozent der Energie im Sonnenlicht in Strom umwandelten. Diese Effizienz sei das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung. Weitere Verbesserungen seien immer schwieriger zu erreichen.

Terrawatt-Herausforderung bewältigen

Materialengpässe sowie Umfang und Geschwindigkeit der erforderlichen Investitionen könnten auch die Bemühungen um eine Ausweitung der Produktion bestehender Technologien beeinträchtigen. “Wenn wir es mit dem Pariser Klimaabkommen ernst meinen und in 20 Jahren 30 Prozent (der weltweiten Stromversorgung durch) PV haben wollen, dann müssten wir die Kapazität der Siliziumherstellung um den Faktor 50 erhöhen, um all diese Module zu bauen”, sagt Albert Polman, Leiter der Gruppe Photonische Materialien am AMOLF-Forschungsinstitut in Amsterdam. “Es kann passieren, aber parallel dazu sollten wir über Möglichkeiten nachdenken, Solarzellen herzustellen, die weniger Kapital verbrauchen.”

Eine Reihe neuer Technologien ziele darauf ab, die TW-Herausforderung zu bewältigen. Einige könnten billig in Serie hergestellt, vielleicht gedruckt oder sogar auf Oberflächen gemalt werden. Andere könnten praktisch unsichtbar sein, sauber in Wände oder Fenster integriert. Und eine Kombination aus neuen Materialien und optischer Zauberei könnte uns bemerkenswert effiziente “Solarfallen” liefern. Alle diese Technologien versprächen auf unterschiedliche Weise, viel mehr Sonnenenergie zu gewinnen, was uns eine bessere Chance gibt, die Energieversorgung der Welt in den nächsten zwei Jahrzehnten zu verändern.

Dünnschichttechnologien sind gut etabliert

Die meisten PV-Zellen funktionierten im Wesentlichen auf die gleiche Weise. Eine Schicht aus Halbleitermaterial absorbiert Photonen des Lichts und erzeugt Elektronen und positive Ladungsträger, die als Löcher bezeichnet werden (freie Stellen, an denen sich normalerweise ein Elektron befinden würde). Die Elektronen werden abgeschöpft, um um einen Stromkreis zu umfließen und nützliche Arbeit zu verrichten, bevor sie mit den Löchern auf der anderen Seite der Zelle rekombiniert werden. Eine Siliziumschicht müsse etwa 200 Mikrometer dick sein, um einen guten Teil des auftreffenden Lichts zu absorbieren. Andere Materialien absorbierten jedoch stärker und bildeten effektive, nur wenige Mikrometer dicke lichtspeichernde Schichten. Das mache Zellen auf Basis dieser Materialien potenziell billiger und weniger energieintensiv in der Herstellung.

Einige dieser Dünnschichttechnologien seien gut etabliert. Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) hätten einen Anteil von etwa 5 Prozent am heutigen globalen PV-Markt. Kommerzielle CdTe-Panels hätten in letzter Zeit die Effizienz und die Kosten von Silizium erreicht, und es gäbe noch Verbesserungsmöglichkeiten. So weise beispielsweise die Schnittstelle zwischen einer CdTe-Schicht und dem darunter liegenden Metallleiter Defekte auf, die helfen könnten, Löcher und Elektronen zu rekombinieren und so verhindern, dass sie zum Strom der Zelle beitragen. Es gäbe eine Möglichkeit, diese Quelle der Ineffizienz zu reduzieren, sagt Markus Gloeckler, Chefwissenschaftler bei First Solar Inc. in Tempe, AZ, das die meisten CdTe Module der Welt herstellt. Aber CdTe und CIGS hingen beide von seltenen Elementen ab – Tellur und Indium – und es könne unmöglich sein, diese auf Terawatt-Skalen einzusetzen.

Organische Verbindungen füllen Nische

Daher untersuchten Forscher eine Fülle anderer Materialien. Organische Moleküle wie Polymere und Farbstoffe, die in großen Mengen aus einfachen Inhaltsstoffen synthetisiert werden, könnten die lichtabsorbierende Schicht in einer PV-Zelle bilden. “Die von uns verwendeten Materialien sind im Prinzip extrem preiswert”, sagt Stephen Forrest, der eine Forschungsgruppe für Optoelektronik an der University of Michigan in Ann Arbor, MI, leitet. Obwohl organische Stoffe potenziell billig sein, sänken jedoch auch die Kosten für Silizium weiter. Forrest gehe davon aus, dass organische Verbindungen eine andere Nische füllen werden, anstatt direkte Konkurrenten von Silizium zu werden. “Sie können Dinge tun, die Silizium nicht kann”, sagt er.

Im Gegensatz zu Silizium seien organische Zellen flexibel. So könnten sie problemlos auf Dächern ausgerollt oder auf andere Oberflächen geklebt werden, ohne dass schwere Glasplatten erforderlich seien. Organische Zellen könnten auch so konzipiert sein, dass sie hauptsächlich Infrarotlicht absorbieren und für sichtbares Licht ziemlich transparent bleiben würden, was bedeute, dass sie in Fenster integriert werden könnten. Die Gruppe von Forrest habe beispielsweise organische PV-Zellen mit einem Wirkungsgrad von 7 Prozent gezeigt, die 43 Prozent des sichtbaren Lichts durchlassen.

Effizienteste organische PV-Zellen oxidationsanfällig

Das klinge vielleicht nach einem schwachen und schmutzigen Fenster, sei aber vergleichbar mit herkömmlichen Bürofenstern mit einer Antireflexbeschichtung. Transparente organische Stoffe könnten auch eine Effizienzsteigerung durch Elektroden aus Graphen erhalten – eine dünne, leitende und transparente Schicht aus Kohlenstoffatomen. Im Jahr 2016 gelang es Forschern am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, MA, eine Graphenelektrode auf experimentelle Zellen zu kleben.

Die effizientesten organischen PV-Zellen hätten sich als oxidationsanfällig erwiesen, was ihnen eine relativ kurze Lebensdauer verleihe. Aber wenn man sie in eine abgedichtete, doppelverglaste Fensterfront stelle, würde man sie vor schädlichem Sauerstoff und Wasser schützen. “Organische Stoffe haben eine echte Chance bei gebäudeintegrierten Solarzellen”, sagt Forrest.

Perowskite gehören zu den vielversprechendsten PV-Materialien

Organische Solarzellen mögen billig sein, aber der Preis einer Zelle ist nur ein Teil der wirtschaftlichen Gleichung. Das eigentliche Fazit heißt LCOE (Levelized Cost of Electricity): die Kosten pro Kilowattstunde über die gesamte Lebensdauer einer Anlage. Diese Kosten umfassten Geräte wie Wechselrichter, die den Niederspannungsgleichstrom einer Schalttafel in Hochspannungswechselstrom umwandeln. Andere Kosten beinhalteten die Installation und eventuell das Recycling der Paneele. Obwohl Super-Billig-Panels einen Weg zu niedrigem LCOE böten, arbeiteten die Forscher auch daran, zwei weitere wichtige wirtschaftliche Faktoren zu verbessern: die Lebensdauer eines Panels und seine Energieeffizienz.

Perowskite gehören zu den vielversprechendsten der neuen PV-Materialien. Sie alle haben die gleiche Kristallstruktur wie ein Calcium-Titanoxid-Mineral, der ursprüngliche Perowskit, der dieser Materialfamilie ihren Namen gibt. Verschiedene Arten von Ionen oder Molekülen können jeden der drei Standorte in dieser Struktur einnehmen, was bedeutet, dass die Perowskitchemie eine Vielzahl von verschiedenen Materialien produzieren kann. Einige davon, wie beispielsweise Methylammonium-Bleihalogenide, bilden effektive Dünnschichtzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 23%.

Perowskit-Zellen hätten diese beeindruckende Leistung nach knapp einem Jahrzehnt Forschung erreicht. “Sie wachsen schnell und effizient, wie es niemand erwartet hat”, sagt Francisco García de Arquer von der University of Toronto in Ontario, Kanada. Ein Grund für ihre hohe Effizienz sei, dass Perowskite in der Regel eine geringe Dichte an Defekten in ihrer Kristallstruktur aufwiesen, so dass relativ wenige Elektronen und Löcher durch vorzeitige Rekombination verloren gehe. Eine aktuelle Studie deute darauf hin, dass das relativ flexible Gitter unwirksam ist, um Wärmeenergie aus ladungsführenden Elektronen abzuführen, was helfen könnte, die hohen Wirkungsgrade von Perowskit zu erklären und weitere Verbesserungen zu versprechen. Darüber hinaus seien alle Materialien in Perowskiten reichlich vorhanden, und die lösungsbasierten Methoden zu ihrer Herstellung seien potenziell billiger als die für Siliziumzellen erforderliche Hochtemperaturverarbeitung.

Perowskite beinhaltet Blei

Aber Perowskite haben eine oder zwei Achillesfersen. Sie beinhalten in der Regel Blei, ein toxisches Element, das ihre Vermarktung behindern könnte, so dass mehrere Teams nach ungiftigen Alternativen suchen, wie beispielsweise Zinn. Perowskite sind auch anfällig für Abbau, insbesondere bei Vorhandensein von Feuchtigkeit, was ihnen eine kurze Lebensdauer und damit einen schlechten LCOE verleiht. Die Verkapselung mit Kunststoff hilft, erhöht aber die Kosten. An der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne, Schweiz, hat ein Team um Giulia Grancini einen anderen Weg gefunden, das Problem zu umgehen, indem es der Zelle eine zusätzliche Oberflächenschicht aus Perowskit hinzufügt. Dieses Material verwendet die gleichen Inhaltsstoffe wie der untenstehende PV-Perowskit, hat aber eine andere Struktur, die resistenter gegen Feuchtigkeit ist. Dadurch wird die Zelle abgedichtet und geschützt, die über 10.000 Betriebsstunden hinweg keine Leistungsverluste aufweist und eine kostengünstigere Option sein sollte als die Kunststoffkapselung.

Leistungsfähigkeit sind Grenzen gesetzt

Steigender Bismut-Anteil bewirkt Bandlücke in Elektronen-Energieniveaus (Messungen an BESSY II) – Bild © HZB

Trotz der steigenden Wirkungsgrade der Perowskite und anderer neuer PV-Materialien würden sie alle an eine grundlegende Grenze ihrer Leistungsfähigkeit stoßen. Dies werde durch ihre charakteristische Bandlücke bestimmt – die Energie, die benötigt wird, um ein gebundenes Elektron freizusetzen, damit es zu einem Ladungsträger wird. In Silizium betrage dieser Abstand 1,1 Elektronenvolt. Photonen mit weniger als dieser Energie könnten keinen Ladungsträger erzeugen, also würden sie verschwendet. Photonen mit mehr als dieser Energie könnten Träger erzeugen, aber jede Energie über 1,1 Elektronenvolt gehe als Wärme verloren. Angesichts des Spektrums des Sonnenlichts, das auf die Erdoberfläche trifft, lasse sich berechnen, welcher Anteil der Sonnenenergie von einem Material, dem so genannten Shockley-Queisser-Effizienzgrenzwert, aufgenommen werden könne. Bei einer Bandlücke von 1,1 Elektronenvolt liege die Grenze bei etwa 32%. Die ideale Bandlücke von 1,34 Elektronenvolt sei mit einer Grenze von 33,7% nur wenig besser. In der Praxis sinke der Zellwirkungsgrad durch die Rekombination von Ladungsträgern, Innenwiderstand, Reflexion an der Vorderseite der Zelle und andere Effekte.

Aber bestehende Materialien könnten durch die Bündelung der Kräfte viel besser abschneiden. In Tandemzellen gebe es zwei Halbleiterschichten: Eine obere Schicht mit einem breiten Bandlücken könne das sichtbare Licht optimal nutzen, während der größte Teil des Infrarots durchstrahlt werde, so dass er von einer zweiten Schicht mit einem schmaleren Bandlücken aufgewischt werden könne. Tandemzellen eigneten sich perfekt für Materialien mit Bandlaschen, die relativ einfach einzustellen seien. Das Basteln an der Chemie mache dies bei Organika und Perowskiten möglich. So könne der Perowskit in einem Perowskit-Silizium-Tandem so ausgelegt werden, dass er eine Bandlücke von 1,7 Elektronenvolt aufweise, was die beste lichtabsorbierende Ergänzung zu den 1,1 Elektronenvolt des Siliziums darstelle. Die theoretische Effizienzgrenze für diese beiden Bandlücken zusammen beträgt 43%.

Wirkungsgrad von über 30% erwartet

Wie immer entspreche die reale Leistung nicht diesem Ideal. Im Juni 2018 erreichte das Spin-Out-Unternehmen Oxford Photovoltaics jedoch einen Rekordwirkungsgrad von 27,3% für Perowskit-Silizium-Tandemzellen. Das Unternehmen sagt, dass es relativ einfach sei, bestehende Siliziumwafer zu nehmen und die Perowskitschicht mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff zu verkleben. “Wir haben ein fast kommerziell fertiges Produkt”, sagt Chris Case, Chief Technology Officer des Unternehmens. Sie erwarteten, dass frühe Versionen des Produkts einen Wirkungsgrad von etwa 25 bis 26% aufweisen und sich in den kommenden Jahren auf über 30% verbessern werden. Das Unternehmen startet auch ein Projekt zum Bau von Vollperowskitzellen mit zwei oder mehr Schichten, die einen Wirkungsgrad von 37% erreichen sollen.

Drei Schichten seien besser als zwei, und die Forscher setzten zunehmend auf nanostrukturierte Materialien, um ein solches Trio zu vervollständigen. Quantenpunkte seien zum Beispiel winzige Halbleiterpartikel, die sich als besonders gut beim Erfassen von Photonen erwiesen, und die Änderung ihrer Größe biete eine einfache Möglichkeit, ihren Bandlücken einzustellen. Eine Dreifachzelle könne eine auf blaues und grünes Licht abgestimmte Perowskitschicht, eine Siliziumschicht für rotes und nahes Infrarot und eine Quantenpunktschicht für die längsten Wellenlängen aufweisen. “Dies könnte zu einem Wirkungsgrad von bis zu 6% bei geringen Mehrkosten führen”, sagt García de Arquer, Teil eines Teams, das Quantenpunkt-PV-Systeme entwickelt.

Nanozylinder sollen Leistung erhöhen

Neuartige Optiken könnten durch Sonnenlicht noch mehr Energie erzeugen. Nanostrukturierte Materialien könnten bessere Antireflexbeschichtungen bieten, die mehr Sonnenlicht in eine Solarzelle eindringen lassen. Sie könnten auch verwendet werden, um die verschwenderische Emission von Strahlung bei der Rekombination von Elektronen und Löchern zu begrenzen. Und Elektroden aus einem Netz von Nanodrähten könnten nahezu vollkommen transparent sein.

In Amsterdam habe die Forschungsgruppe von Polman festgestellt, dass Nanozylinder die Leistung von Solarzellen auf verschiedene Weise erhöhen können. Obwohl oberflächlich ähnlich wie bei Quantenpunktanordnungen, würden Nanozylinder aus einem Isoliermaterial und nicht aus einem Halbleiter hergestellt. Anstatt Licht zu absorbieren, hätten sie einfach einen anderen Brechungsindex als das umgebende Material. Infolgedessen prallten bestimmte Wellenlängen des Lichts von der Anordnung ab, während andere übertragen würden.

Das Licht hin und her springen lassen

In-situ-Befüllung einer gedruckten Perowskitsolarzelle am Fraunhofer ISE – Foto © Fraunhofer ISE

Polman arbeitet an einem Reflektor auf Basis von Nanozylindern aus Titanoxid, um die Leistung von Perowskit-Silizium-Tandemzellen zu steigern. Diese Nanozylinder bildeten eine separate Schicht zwischen Perowskit und Silizium. Wenn Licht in die Zelle eindringe, absorbiere die Perowskitschicht den größten Teil des kurzwelligen Lichts – aber ein Teil davon gehe durch, ohne eingefangen zu werden. Die Nanozylinder hätten den richtigen Abstand, um dieses nicht absorbierte Licht wieder in die Perowskitschicht zu reflektieren, so dass es eine zweite Chance habe, absorbiert zu werden.

Im Gegensatz dazu könne das längerwellige Licht direkt durch die Nanozylinderschicht hindurchgehen, ohne reflektiert zu werden, so dass es das darunter liegende Silizium erreichen könne. Ähnliche Methoden könnten das Einfangen von Licht in vielen Formen von Solarzellen verbessern und das Licht hin und her springen lassen, bis es absorbiert wird.

50% Gesamtwirkungsgrad als Ziel

Solche spektral selektiven Reflektoren könnten auch bessere Tandemzellen ermöglichen. Das Aufkleben einer Schicht auf eine andere verursachemehrere Probleme, darunter die Notwendigkeit, die von jeder Schicht erzeugten Ströme anzupassen. Das sei schon schwierig genug für ein zweilagiges Tandem, ganz zu schweigen von drei oder mehr. “Wenn sich die Lichtverhältnisse ändern, kann eine der Zellen weniger Strom erzeugen, was den gesamten Stapel nach unten zieht”, sagt Polman. So arbeite er mit Harry Atwater und seiner Gruppe am California Institute of Technology in Pasadena, CA, zusammen, um ein Gerät zu bauen, das Reflektorschichten verwendet, um Licht in sechs Zellen zu leiten, die jeweils auf ein anderes Wellenband abgestimmt und Seite an Seite gestapelt seien. Ziel sei es, ein Gerät mit einem Gesamtwirkungsgrad von 50% herzustellen, und andere optische Verbesserungen könnten dieses noch höher ansetzen.

Noch sei nicht klar, welche dieser Technologien sich zu den Superzellen der Zukunft zusammenschließen werden, aber die Dynamik scheine unaufhaltsam zu sein. “PV ist fast überall in den USA billiger als fossile Brennstoffe”, sagt Forrest. Und es wird noch billiger werden. “Die Dinge”, sagt er, “bewegen sich schnell.”

->Quelle: