pannello solare
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Trotz vieler Alternativen bestehen die meisten Solarmodule noch immer aus Silizium. Jetzt aber haben Forscher eine effektive Methode gefunden, für höhere Wirkungsgrade ein weiteres Material hinzuzunehmen.

Mit der Ablösung von Silizium als wichtigstem Material für Photovoltaik ist auf absehbare Zeit nicht zu rechnen. Allerdings könnte es bald einen Partner aus einer viel versprechenden Materialklasse namens Perowskite bekommen.

Eine Gruppe um Henry Snaith, Physiker an der University of Oxford und einer der führenden Perowskit-Forscher, hat jetzt einen bedeutenden Fortschritt auf diesem Weg gemacht: Sie demonstrierte ein nach ihren Angaben realistisches Konzept für ein Solarmodul, in dem konventionelles Silizium und Perowskit, das den Wirkungsgrad um mehrere Prozentpunkte erhöht, zusammenkommen.

Perowskite ziehen durch ihre immer bessere Leistung und ihre geringen Kosten das Interesse von Solarforschern und Energiepolitikern auf sich. Sie zeichnen sich durch eine chemische Struktur aus, die ihnen einzigartige und für Solartechnologie attraktive Eigenschaften verleiht. Die neue Kombination von Snaith und Kollegen könnte jetzt ein grundlegendes Hindernis für die Entwicklung von hocheffizienten Solarmodulen mit Silizium und Perowskit aus dem Weg geräumt haben.

Laut den Forschern zeigen ihre Ergebnisse, dass es möglich sein müsste, Tandem-Module aus Silizium und Perowskit mit einem Wirkungsgrad von mehr als 25 Prozent herzustellen; die Effizienz von heutigen kommerziell verfügbaren Siliziumzellen liegt bei 17 bis 20 Prozent. Die neuen Werte wurden bislang nur unter Laborbedingungen gemessen, doch mit dem Ansatz lassen sich möglicherweise auch in der Praxis deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen.

Mit speziellen Tandem-Modulen auf der Grundlage anderer Halbleiter-Materialien als Perowskit wurden im Labor bereits Wirkungsgrade von mehr als 40 Prozent erreicht, doch sie sind extrem teuer, weil sie sehr komplexe Produktionsprozesse erfordern. Die Herstellung von Perowskit-Zellen ist deutlich einfacher und billiger, und der Prozess dafür dürfte sich mit ein paar Zusatzschritten in bestehende Produktionslinien für Siliziummodule integrieren lassen. Viele Experten halten Tandem-Module mit Silizium auf kurze Sicht für die realistischste kommerzielle Anwendung von Perowskiten.

Auch derartige Tandems wurden bereits von mehreren Gruppen demonstriert, doch deren Wirkungsgrade waren nicht sehr hoch, weil das Perowskit nicht das gesamte Sonnenlicht-Spektrum absorbierte, das von Silizium nicht verwertet wird. Versuche, das Spektrum des von Perowskit absorbierten Lichts zu verändern, führten zu Instabilitäten in der Materialstruktur, die auf Kosten der Leistung gingen. Snaith und seine Kollegen haben jedoch eine neue Methode dafür entwickelt. Dabei werden bestimmte Ionen in dem Material durch Caesium-Ionen ersetzt, um die erwünschten photovoltaischen Eigenschaften zu bekommen, ohne das Material strukturell zu schwächen.

Bislang haben die Forscher ihre neue Kombination nur im kleinen Maßstab demonstriert, und bis zu kommerziell verfügbaren Modulen dieser Bauart ist noch viel zu tun. Ein von Snaith mitgegründetes Unternehmen, Oxford PV, konzentriert sich jedoch ebenfalls auf die Entwicklung von Tandem-Modulen mit Silizium und Perowskit.

Laut Chris Case, Chief Technology Officer bei Oxford PV, zeigen die jüngsten Ergebnisse, wie schnell Forscher die inhärenten Schwächen des neuen Materials angehen, um zuverlässige Tandem-Module mit hoher Leistung zu realisieren. Technische Details möchte er nicht verraten, doch nach seinen Angaben steht Oxford PV kurz davor, Module in normaler Größe mit 23 Prozent Wirkungsgrad vorzustellen. Bald darauf könnten 25 Prozent erreicht werden, und selbst 28 oder 30 Prozent seien in nur wenigen Jahren möglich.

Ein grundsätzliches Problem für Solartechnologie auf Perowskit-Basis ist die Empfindlichkeit des Materials gegenüber Feuchtigkeit und Luft. Damit stellt sich die Frage, ob Perowskit-Zellen haltbar genug gemacht werden können, um die für Stromproduktionssysteme erforderliche lange Lebensdauer zu erreichen. Case aber sagt, Oxford sei auf dem besten Weg, ein kommerzielles Produkt anzubieten. Ab 2017 solle es für Produzenten von Silizium-Modulen zur Verfügung stehen, die den Wirkungsgrad ihrer Produkte "hochrüsten" wollen.