Zwei Schichten für mehr Effizienz: Tandem-Solarzellen auf Perovskit-Basis

Dachziegel waren gestern: Heute sieht man auf immer mehr Schweizer Dächern große schwarzblaue Rechtecke, die Sonnenlicht in Strom umwandeln. Die schwarzblaue Farbe kommt von Silizium-Kristallen, denn auf diesem Halbleitermaterial basiert die Mehrheit der heute erhältlichen Solarzellen. Doch Silizium ist nicht die einzige Möglichkeit, Solarzellen herzustellen – und möglicherweise auch nicht die beste.

Photovoltaik-Zellen auf Siliziumbasis: niedriger Wirkungsgrad

Photovoltaik-Zellen auf Siliziumbasis sind mittlerweile so weit entwickelt, dass sie an die Grenzen ihrer Effizienz stoßen. Zwar ließen sich noch ein paar wenige Prozentpunkte mehr herausholen, aber die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Silizium-Einfachzelle liegt bei 33 Prozent. Praktisch ist sie etwas tiefer, da beim Bau und Betrieb der Zellen unweigerlich kleine Energieverluste anfallen.

Der Grund für diese begrenzte Effizienz ist auf die Materialeigenschaften des Siliciums zurückzuführen. Die sogenannte Bandlücke des Materials bewirkt, dass nur Photonen mit einer bestimmten Energie zu Strom umgewandelt werden können. Ist die Energie des Photons zu hoch, kann es von der Solarzelle nicht vollständig «verwertet» werden.

Zwei Schichten sind besser als eine

Solarzellen aus anderen Materialien bieten eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu umgehen, weiß Empa-Forscher Fan Fu. Der Gruppenleiter im Labor für Dünnfilme und Photovoltaik forscht an hocheffizienten Solarzellen aus Perovskit. 

Eine Perovskit-Einfachzelle allein erreicht zwar noch keinen höheren Wirkungsgrad, denn auch Perovskit hat als Halbleiter eine begrenzte Bandlücke. Die wahre Stärke des innovativen Materials zeigt sich darin, dass sich diese Bandlücke – anders als bei Silicium – steuern lässt, indem man die Zusammensetzung des Perovskitmaterials variiert.

Verarbeitet man zwei Perovskite mit unterschiedlichen Bandlücken zu Dünnschicht-Solarzellen und "stapelt" sie aufeinander, erhält man eine sogenannte Tandem-Solarzelle. Eine Perovskit-Schicht "fängt" die Photonen mit hoher Energie, die andere diejenigen mit niedriger Energie. Somit lassen sich theoretisch Wirkungsgrade von bis zu 45 Prozent erzielen – deutlich mehr als die 33 Prozent bei Einfachzellen. Alternativ lässt sich auch eine Perovskit- mit einer Siliziumschicht zu einer hocheffizienten Tandemzelle verarbeiten.

Perovskit-Tandemzellen noch in den Kinderschuhen

Zurzeit forschen Fu und sein Team jedoch vor allem an reinen Perovskit-Tandemzellen, unter anderem im Rahmen des EU-Forschungsprojekts "SuPerTandem", an dem insgesamt 15 führende europäische Forschungsinstitutionen und Unternehmen beteiligt sind.

Ziel des Projekts: Flexible Perovskit-Tandem-Module mit einem Wirkungsgrad von über 30 Prozent zu entwickeln, die sich zudem mit skalierbaren und kostengünstigen Verfahren produzieren lassen. Denn das ist eine weitere Stärke der Perovskit-Solarzellen: "Für Silicium-Solarzellen braucht es in der Regel hochreine Silicium-Monokristalle, die bei hoher Temperatur hergestellt werden", erklärt Fu. 

"Perovskit-Dünnschichten können dagegen gedruckt, verdampft oder aus der Lösung abgeschieden werden, mit einem entsprechend niedrigen CO₂-Fußabdruck. Kleine Defekte, die dabei entstehen, beeinträchtigen ihre optoelektronischen Eigenschaften nur wenig."

Günstigere und flexiblere Solaranlagen möglich

Der potenzielle Nutzen von Projekten wie "SuPerTandem" ist enorm, denn je höher der Wirkungsgrad, desto günstiger wird unter dem Strich die Solaranlage. "Die Zelle selbst macht weniger als 20 Prozent der Kosten für eine PV-Anlage aus", sagt Fu. "Die restlichen 80 Prozent entfallen auf die Verkabelung, die Wechselrichter, die Steuerung und natürlich den Arbeitsaufwand für die Installation."

Steigert man die Effizienz der einzelnen Zellen, reicht für dieselbe Stromproduktion eine kleinere – und somit günstigere – PV-Anlage. Auch können Dünnschichtzellen aus Perovskit auf leichten flexiblen Folien hergestellt werden, anstatt auf schweren, starren Glasplatten wie Siliciumzellen. Dadurch lassen sie sich auch an mehr Orten einsetzen, etwa auf Autodächern oder auf Bauwerken mit geringer Tragkraft.

Vom Labor aufs Dach

Dieses große Potenzial von Perovskit-Solarzellen gilt es nun auszuschöpfen. Neben "SuPerTandem" arbeitet Fan Fus Team auch in zwei Schweizer Projekten daran. In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) geförderten Projekt arbeiten das Empa-Team daran, die grundlegenden Eigenschaften und Herausforderungen der Perovskit-Solarzellen besser zu verstehen, die zu ihrer Effizienz und Stabilität beitragen.

Und in einem Projekt mit dem Bundesamt für Energie (BFE) setzen sie ihr bereits vorhandenes Wissen gleich in die Praxis um, indem sie die an der Empa entwickelten Tandem-Zellen skalieren.

Ausblick: In 5 bis 10 Jahren könnte es soweit sein

Was müssen wir noch tun, damit sich zu den schwarzblauen Vierecken auf dem Dach bald einmal rötliche Perovskit-Folien gesellen? "Zunächst müssen wir die Perovskit-Zellen von den heutigen Prototypen von wenigen Zentimetern Größe auf Industriegrößen skalieren", sagt Fu. Auch gilt es, die noch etwas empfindlichen Zellen wirksam vor Witterungseinflüssen zu schützen.

Der Empa-Forscher ist optimistisch, dass beides in den nächsten fünf bis zehn Jahren gelingen wird. "Wir machen gute Fortschritte, und es besteht ein großes Interesse aus der Industrie", sagt der Wissenschaftler. "Die Forschung beschäftigt sich erst seit knapp 15 Jahren mit Perovskit-Solarzellen. An Siliciumzellen wird immerhin schon seit fast 70 Jahren geforscht."