Solarzellen der Zukunft

Perowskit 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

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.

Folgt: Nanozylinder sollen Leistung erhöhen