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 meistversprechenden 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.
Folgt: Perowskit beinhaltet Blei