Schon lange gelten Perowskite in der Solarbranche als Geheimtipp. Dabei bezeichnet der Name nicht einfach ein bestimmtes Material, sondern eine riesige Klasse chemischer Verbindungen mit ähnlichen Kristallstrukturen. Für die Photovoltaik sind vor allem diejenigen Perowskite relevant, die an der richtigen Stelle im Molekül Jod, Brom oder Chlor enthalten. Auf dem Papier haben Perowskite hervorragende Eigenschaften, um aus ihnen Solarzellen herzustellen. Erstens sind sie Halbleiter und absorbieren Sonnenlicht sehr gut, wobei im Material Elektronen für den Stromfluss freigesetzt werden. Zweitens lässt sich die Wellenlänge, bei der das Licht absorbiert wird, durch geeignete Wahl der Materialien exakt einstellen. Das macht es möglich, unterschiedliche Schichten von Perowskiten zu kombinieren und dadurch die Effizienz der Solarzellen zu erhöhen. Und drittens lassen sich Perowskite einfach durch Mischen in einer Lösung und anschließendes Trocknen herstellen. Dabei kristallisiert das Material in einer dünnen, körnigen Schicht, die den Stromfluss verbessert. Und: Man kann Perowskite sogar drucken.
Effizient, aber anfällig
Warum sind Perowskit-Solarzellen nicht längst auf dem Markt etabliert? „Bei der Effizienz haben Perowskite in den vergangenen 20 Jahren zwar eine erstaunliche Entwicklung hingelegt“, sagt Mariotti. „Sie können sich inzwischen sogar mit den besten Silizium-Solarzellen messen. Die Langlebigkeit war aber immer eine Herausforderung, an der noch intensiv geforscht wird.“ Wenn man sich heute eine Silizium-Solarzelle auf das Hausdach montiert, kann man davon ausgehen, dass die Anlage über mindestens 25 Jahre ihre Leistungsfähigkeit beibehält. Perowskite sind wesentlich anfälliger für Alterungsprozesse, auch durch Faktoren wie Feuchtigkeit und Sauerstoff. Selbst bei einer guten Verkapselung sorgen die UV-Strahlung der Sonne, thermischer Stress und insbesondere das Wandern von Ionen im Material für Alterung.
ist Wissenschaftlerin am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und beschäftigt sich dort mit grundlegenden und zugleich anwendungsnahen Fragen der modernen Material- und Energieforschung. Am Helmholtz-Zentrum Berlin hat sie sich in den vergangenen Jahren mit ihrer Arbeit kontinuierlich profiliert und wesentlich zu Forschungsprojekten beigetragen, die auf ein besseres Verständnis komplexer materialwissenschaftlicher Prozesse abzielen.
Fortschritte bei der Langlebigkeit
Viel Forschungsarbeit fließt in smarte Beschichtungen, die das Perowskit stabilisieren und gegenüber Umwelteinflüssen verkapseln. Sie müssen aber zugleich transparent sein und dürfen den Stromfluss nicht stören. Dabei hat es in jüngster Zeit entscheidende Fortschritte gegeben. Zwar sind Perowskit-Solarzellen noch nicht bei der Haltbarkeit von Silizium-basierten Zellen angelangt, aber die einfachere Produktion macht es prinzipiell möglich, größere Stückzahlen schnell und günstig herzustellen. Erste Anbieter gehen deshalb jetzt mit Perowskit-Solarzellen auf den Markt. Man darf gespannt sein, wie sich der weitere Markthochlauf entwickelt. Die Perowskit-Photovoltaik bietet schließlich Europa eine Chance, bei diesen Solarmodulen unabhängig von Importen aus China zu werden.
Perowskit-Solarzellen bieten einen weiteren Vorteil, denn man kann unterschiedliche Lagen des Materials miteinander kombinieren. „Bei sogenannten Tandem- oder sogar Dreifach-Solarzellen ist jede Schicht so ausgelegt, dass sie einen ganz bestimmten Anteil des Sonnenlichts absorbiert. Dadurch steigt die Gesamteffizienz deutlich“, erläutert Mariotti. Die Ausbeute steige dann von rund 25 Prozent auf bis zu mehr als 30 Prozent.
Man muss nur eine hauchdünne Schicht aus Perowskit auf eine Silizium-Solarzelle aufbringen – sowie einige weitere Schichten für die Verkapselung, die Kontakte und den Ladungstransport. „Aber die gesamte kostspielige Elektrik muss dennoch nur einmal vorhanden sein“, so die Forscherin. Das Perowskit absorbiert dann den kurzwelligen Anteil des Sonnenlichts und das Silizium den langwelligen, was die Ausbeute maximiert.
Künftig möchte Mariotti das Silizium am liebsten komplett weglassen und reine Perowskit-Mehrfachsolarzellen entwickeln. Sie wünscht sich von der Politik und der Industrie in Europa deshalb mehr Mut, in diese Technik zu investieren, um eine von Marktführer China unabhängige Solarindustrie aufzubauen. Dort wird die Perowskit-Photovoltaik ebenfalls intensiv vorangetrieben. Noch ist das Rennen aber nicht entschieden.
Im Interview spricht Silvia Mariotti über Herausforderungen und Erfolge in der Forschung sowie darüber, was sie motiviert, neue wissenschaftliche Fragestellungen anzugehen: https://energy.helmholtz.de/einblicke/forschende-im-portraet/silvia-mariotti-hzb/