Effizienzrevolution in der Photovoltaik: Die transformative Kraft hauchdünner Schichten
Perowskite ist nicht nur die neue Hoffnung, sondern auch ein wahres Wundermittel für die Photovoltaik.
Seit den Entdeckungen 2009 hat sich die Effizienz dieser Substante schneller erhöht als bei jeder anderen Solartechnik zuvor. Dies hat Forscher auf der ganzen Welt zu einer Euphorie angespornt, „unzählige Firmen und Forschungseinrichtungen“ arbeiten unterdessen an der Entwicklung.
Der Clou: Eine dünne Schicht Perowskit, die auf einen Siliziumwafer aufgebracht wird, verdoppelt die Energieausbeute der Siliziumzelle von 29,4 Prozent auf bis zu 45 Prozent. Der Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) erzielte im Dezember 2022 sogar einen Weltrekord von 32,5 Prozent, mittlerweile übertroffen vom Kaust Photovoltaics Laboratory in Saudi-Arabien mit 33,7 Prozent.
Der Grund, warum Perowskit solche Fortschritte macht, liegt unter anderem in seiner großen Vielfalt an möglichen chemischen Kombinationen, die unterschiedliche Rohstoffe erfordert. Dabei ist seine Fertigung, bei der die Kristalle bei überschaubaren Temperaturen von rund 100 Grad abgeschieden werden, auch noch besonders einfach und benötigt nur wenig Energie.
Dies hat die Industrie aufmerksam gemacht. Oxford PV hat bereits einen neuen Weltrekord beim Wirkungsgrad von Solarzellen „in kommerzieller Größe“ verkündet, und Q-Cells beginnt, die Kommerzialisierung von Tandemzellen auf Perowskit-Basis zu beschleunigen.
Dennoch gibt es einige Herausforderungen, die es zu überwinden gilt. Da die Qualität der Zellen bislang nicht hinreichend reproduzierbar ist und man nur wenig Erfahrungen mit ihrer Lebensdauer hat, sind kurzlebige Produkte wie mobile Geräte sinnvollerweise eine erste Anwendungsform.
Dies stoppt die Forschung jedoch nicht: So haben Wissenschaftler am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) schon gezeigt, dass eine Dreifachsolarzelle aus zwei unterschiedlichen Schichten von Perowskiten auf Silizium realisierbar ist.
Auch die organischen Solarzellen, die aus Polymeren bestehen, haben laut Experten viele Vorteile und können mechanisch flexibel, leicht und ohne die Verwendung von Schwermetallen und anderen kritischen Elementen hergestellt werden, wie der aktuelle Weltrekord der Universität Freiburg und des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme mit einem Wirkungsgrad von 15,8 Prozent beweist.
Perowskit hat die Photovoltaik revolutioniert und die Forschung an Solarzellen vorangetrieben. Die Effizienz nimmt so schnell zu, dass die Industrie mittlerweile aufgesprungen ist. Mit nur einer dünnen Schicht Perowskit auf einem Siliziumwafer kann man die Grenzen der heutigen Solartechnik um fast die Hälfte übertreffen - ein wahres Wundermittel.
Obwohl die Zukunft der Photovoltaik hauptsächlich in innovativen Zellkonzepten liegt, rückt die Optik für Ingenieure immer mehr in den Fokus. Immer mehr Architekten setzen auf eine nahtlose Integration der Solarmodule in die Gebäudehülle – ob auf dem Dach oder an der Fassade.
Ein Beispiel hierfür ist die Anlage auf dem Dach einer Turnhalle in Eppingen (Baden-Württemberg), auf der im Frühjahr Module in ziegelroter Farbe installiert wurden. Diese entsteht durch eine Mikrostruktur der Folie, die sicherstellt, dass das Licht in der gewünschten Wellenlänge reflektiert wird.
Sowohl reine Spektralfarben als auch andere Farbmischungen können bei der Fertigung von Solarfolien erzielt werden. Jedoch geht ein Teil des Stromertrags verloren – bei reinen Spektralfarben beträgt dieser rund sieben Prozent und bei Mischfarben zwischen zehn und zwölf Prozent.
Um den Architekten entgegenzukommen, geht das Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) auf ein noch weiter gehendes Konzept ein: Modulen, die einer Steinoptik folgen.
Mit einer 500 Mikrometer dünnen Steinfurnier-Schicht aus einer etwa einen Millimeter dicken Harzschicht, können auch Module entstehen, die wie eine Steinfassade aussehen, jedoch Energie erzeugen – Glimmerschiefer und Sandstein-Module wurden schon gefertigt und vermessen. Somit ist es ersichtlich, dass sich Solarmodule in Zukunft nicht mehr so leicht als solche erkennen lassen werden.
