Perowskit-Solarzellen: Vor- und Nachteile

Für Solarzellen, die in Photovoltaikanlagen verwendet werden, ist derzeit Silizium das Material der Wahl. Der Wirkungsgrad solcher Solarzellen ist jedoch begrenzt, und auch im Hinblick auf die Kosten wird fortwährend nach besseren Lösungen geforscht. Vielversprechend scheinen sogenannte Perowskit-Zellen zu sein. Ihre Funktionsweise lässt darauf hoffen, dass höhere Wirkungsgrade erzielt werden können. Doch derzeit gibt es noch deutliche Begrenzungen. Ein Überblick.

Was sind Perowskit-Solarzellen?

Der Name Perowskit-Solarzellen leitet sich von Perowskit ab, einem Mineral mit typischer Kristallstruktur, die sich auch in den Zellen wiederfindet. Träger dieser Struktue sind sogenannte Halid- bzw. Halogenid-Perowskite, ein Hybridmaterial aus organischen positiv geladenen Komponenten wie Methylammonium-Kationen und (anorganischen) Metallsalzen wie Bleijodid. Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Arten des Aufbaus, die “klassischen” Perowskit-Zellen und Perowskit-Solarzellen mit Kohlenstoff-Architektur (mehr erfahren). 

Perowskit-Solarzellen sind eine relativ neue Erfindung, an der erst seit 2009 gearbeitet wird. In dieser Zeit haben Perowskit-Zellen jedoch eine deutliche Effizienzsteigerung erfahren: Während die ersten Perowskit-Solarzellen einen Wirkungsgrad von lediglich 4 % aufwiesen, erreichen neueste Modelle regelmäßig Wirkungsgrade von mehr als 20 %. An einem koreanischen Forschungsinstitut wurden gar Perowskit-Zellen mit einem Wirkungsgrad von 25 % präsentiert. Eine weitere Leistungssteigerung in der Zukunft scheint möglich.

Perowskit-Solarzellen sind ähnlich wie Dünnschicht-Solarmodule einfach und kostengünstig herzustellen. Die Eigenschaften von Perowskit ermöglichen eine unkomplizierte Beschichtung von geeigneten Substraten: Perowskit kann in flüssiger Form auf Oberflächen gestrichen, gedruckt oder sogar aufgesprüht werden. Dazu sind bei bestimmten Verfahren nicht einmal Vakuumverfahren nötig, was die Produktionskosten weiter senkt.

Aufbau und Funktionsweise von Perowskit-Solarzellen

Die Forschung um Perowskit-Zellen ist in vollem Gange, daher gibt es nicht den „einen“ Aufbau. Typisch sind jedoch folgende Schichten in “klassischen” Perowskit-Solarzellen:

1. die obere Elektrode
2. der Lochleiter
3. der Absorber aus Perowskit
4. der Elektronenleiter
5. die untere Elektrode

Das grundlegende Funktionsprinzip der Photovoltaik bleibt auch hier erhalten: Der Absorber nimmt Sonnenlicht auf, wodurch Elektronen aus dem Halbleiter herausgelöst werden. So entstehen freie negative Ladungsträger und positive „Löcher“. Mittels des Elektronenleiters (und mithilfe von Membranen, die entweder nur Elektronen oder nur Löcher durchlassen) werden die Elektronen zur unteren Elektrode, die positiv geladenen Löcher zur oberen Elektrode abgeleitet. So fließt der Strom innerhalb der Perowskit-Zelle.

Der entscheidende Vorteil von Perowskit-Solarzellen liegt im sogenannten „Photonenrecycling“, das bisher allein mithilfe von Perowskit erreicht werden kann. Basis für dieses Photonenrecycling ist das physikalische Phänomen der Photolumineszenz. Kombiniert ein durch ein Photon freigesetztes Elektron nach einer gewissen Lebensdauer wieder mit einem “Loch”, wird dabei Energie frei - im Falle des Perowskits als neues Photon - das seinerseits Elektronen freisetzen kann.

Perowskit-Zellen werden in der Regel zu sogenannten Tandemzellen zusammengesetzt. Eine Tandemzelle besteht aus mindestens zwei Teilzellen mit unterschiedlichen Absorptionsbereichen. Das heißt, sie können entweder kurz- oder langwelliges Licht effektiver “verarbeiten”. Dadurch wird das Gesamtspektrum des Sonnenlichtes besser ausgenutzt, wodurch der Wirkungsgrad der Solarzelle steigt. Wichtig ist bei der Kombination, dass die obenliegende Perowskit-Zelle zum einen selbst genügend Licht absorbiert, zum anderen aber auch genug Licht durchlässt, das die darunterliegende Zelle erreicht. Typische Kombinationen für Perowskit-Tandemsolarzellen sind:

• Perowskit-Silizium-Solarzellen
• Perowskit-CIGS-Solarzellen (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Zellen)
• Perowskit-Perowskit-Zellen

Vorteile und Nachteile von Perowskit-Solarzellen

Trotz der vielversprechenden Entwicklung und Wirkungsweise von Perowskit-Solarzellen sind die Zellen derzeit noch nicht in der Masse wettbewerbsfähig. Die Forschung schreitet jedoch voran, sodass in Zukunft die Vorteile möglicherweise die Nachteile ausgleichen werden. Hier ein Überblick:

Diese Wirkungsgrade erreichen Perowskit-Solarzellen

Nach der erstaunlichen Entwicklung des Wirkungsgrads von Perowskit-Zellen hat die Forschung auch in den letzten Jahren Solarzellen mit stetig gesteigerten Wirkungsgraden hervorgebracht. So stellte der Entwickler Oxford PV im Dezember 2020 eine Perowskit-Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 29,52 %  vor. Im November 2021 präsentierte das Helmholtz-Zentrum in Berlin eine Zelle gleichen Typs mit einem Wirkungsgrad von 29,80 %, und im Juli 2022 stellte das Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie (CSEM) in Zusammenarbeit mit der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) eine Tandem-Perowskit-Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von ganzen 31,25 % vor. Zum Vergleich: Gängig sind für übliche Solarzellen Wirkungsgrade von 20–26 %.

Fazit: Derzeit sind Perowskit-Solarzellen trotz ihrer vielversprechenden Funktionsweise noch keine wirkliche Konkurrenz zu Silizium-Solarzellen. Die Forschung geht jedoch weiter, sodass neue Ergebnisse in der Zukunft mit Spannung erwartet werden dürfen.