Alternative zu Silizium: Perowskit-Solarzellen aus der Schlitzdüse

Teaserbild-Quelle: Solaronix

Perowskit ist seit einiger Zeit als kostengünstige Alternative zu Silizium im Gespräch. Die Empa arbeitet zurzeit an einer Perowskit-Zelle, die zwar mit begrenztem Wirkungsgrad arbeitet, aber das Potenzial für eine günstige Industriefertigung hat.

VonBenedikt Vogel,im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE)

Der Siegeszug der Photovoltaik (PV) in den letzten zwei Jahrzehnten beruht hauptsächlich auf dem Halbleiter Silizium. Solarmodule aus Silizium sind im Preis stark gefallen und haben weltweite Verbreitung gefunden. Trotz dieser Erfolgsgeschichte wird heute an weiteren Halbleitern für PV-Anwendungen geforscht. Dazu gehören Solarzellen auf der Basis von Perowskit-Halbleitern. Die ersten Zellen dieser Art baute 2009 ein japanisches Forscherteam um den Elektrochemiker Tsutomu Miyasaka.

Die Stromausbeute lag zunächst bei wenigen Prozent, konnte seither aber unter Laborbedingungen auf 24 Prozent gesteigert werden. Damit liegen Perowskit-Zellen beim Wirkungsgrad mit den Silizium-Zellen gleichauf. Kein Wunder, elektrisieren photoaktive Perowskit-Halbleiter die Anhänger der Photovoltaik. Sie hoffen, mit diesen Werkstoffen Solarzellen dereinst einfacher und damit auch wesentlich kostengünstiger herstellen zu können.

In den neuartigen Zellen dient ein Halbleiter mit Perowskit-Struktur als photoaktive Schicht, welche die Energie der Sonnenstrahlen in elektrischen Strom umwandelt. Perowskit ist in seiner Grundform ein Mineral aus Kalzium, Titan und Sauerstoff (CaTiO3), kommt aber in verschiedenen Abwandlungen vor, die ebenfalls über die für Perowskite charakteristische Kristallstruktur ABX3 (Verbindung aus den Kationen A und B mit dem Anion X) verfügen. Für den Bau von Solarzellen stehen Metall-Halid-Perowskite im Vordergrund, darunter insbesondere die organisch-anorganische Verbindung Methylammonium Bleitriiodid.

Quelle: Empa

An der Empa in Dübendorf stellen Wissenschaftler mit dieser Anlage im Schlitzdüsen-Verfahren Perowskit-Solarzellen in der Grösse von 10 mal 10 Zentimetern her. Im Zuge des aktuell laufenden Forschungsprojekts «UPero» soll das Herstellungsverfahren auf eine Zellgrösse von 30 mal 30 Zentimetern hochskaliert werden.

Perowskit-Solarzellen sind Dünnschichtzellen, das heisst, die photoaktive Schicht ist nur wenige Mikrometer dick – im Gegensatz zu der rund 180 Mikrometer starken Silizium-Schicht in gängigen Siliziumzellen. Perowskit-Solarzellen bestehen aus verschiedenen Materialschichten, die auf einer speziell vorbereiteten Glasscheibe aufgebracht werden. Dank dieser Schichten können die positiven und negativen Ladungen, die die Sonnenstrahlen aus dem Halbleiter herausschlagen, getrennt und als Strom für die Energieversorgung genutzt werden.

Kohlenstoff gibt der Zelle Halt

Trotz faszinierender Fortschritte in den letzten Jahren kämpft die Perowskit-Zelle mit ihrer Instabilität: Aufgrund des Aufbaus beziehungsweise der verwendeten Materialien reagiert sie empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, Hitze, UV-Licht und mechanische Belastungen. Empfindliche Leistungseinbussen (Degradation) schon nach kurzer Zeit sind die Folge. Dieses Handicap hat Forscher inspiriert, die Perowskit-Zelle aus einer verbesserten Materialkombination zu bauen, die einen langlebigen Betrieb ermöglichen soll.

Dies gelang Michael Grätzel von der Ecole polytechnique fédérale de Lausanne(EPFL) und Hongwei Han von der chinesischen Huazhong University of Science and Technology im Jahr 2014 mit einer Zelle unter Einbezug von Kohlenstoff. Diese Solarzelle gilt als vielversprechender Anwärter für eine beständige und günstig zu produzierende Solarzelle (siehe«So ist die Perowskit-Solarzelle aufgebaut»).

Die Idee einer Perowskit-Solarzelle mit Kohlenstoffarchitektur wird unterdessen auch in der Schweiz weiterverfolgt. Seit Jahren erforscht die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in Dübendorf mögliche Herstellungsverfahren. In einem Pilot- und Demonstrationsprojekt, das vom Bundesamt für Energie (BFE) unterstützt wurde, spannten Empa-Forscher nun mit der Firma Solaronix SA in Aubonne (VD) zusammen.

Von 2016 bis 2018 stellten sie eine funktionsfähige Perowskit-Laborzelle von 10 mal 10 Zentimetern Fläche her. Die eigentliche Innovation besteht nicht im gewählten Aufbau der Zelle, sondern im Herstellungsverfahren. Dieses wurde an der Empa entwickelt. Solaronix stellte die sehr speziellen Materialien bereit.