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StartseiteForschung aktuellUngewöhnliches Material für Solarzellen29.02.2016

Perowskit-Technologie Ungewöhnliches Material für Solarzellen

Das 1839 im Ural entdeckte schwarze Mineral Perowskit macht derzeit in der Photovoltaik Karriere. Es ist attraktiv für Photovoltaik-Anwendungen, weil es einen hohen Wirkungsgrad besitzt und es besonders einfach und damit kostengünstig verarbeitet werden kann. Bis die Perowskit-Technologie zur Marktreife entwickelt ist, werden allerdings wohl noch ein paar Jahre vergehen.

Von Arndt Reuning

Arbeiter installieren Solarzellen auf einem Dach, aufgenommen am 06.03.2012 in Igersheim. (dpa picture alliance / Daniel Kalker)
Die Bundesregierung ringt um Änderungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG). (dpa picture alliance / Daniel Kalker)
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Perowskit-Solarzellen Superschnelle Lichtaufnahme

Eine Ammoniumverbindung, die außerdem noch Blei und Iod enthält. Das ist das Erfolgsrezept für die Perowskit-Solarzellen. Auf diese ungewöhnliche Verbindung setzt auch Professor Henry Snaith von der Universität von Oxford.

"Wir arbeiten erst seit vier Jahren mit diesem Material, also seit einer verhältnismäßig kurzen Zeit. Und bereits jetzt schon kann die Leistung der Zellen mit kommerzieller Photovoltaik mithalten. Natürlich stehen wir noch ganz am Anfang der Entwicklung. Aber es sieht so aus, als könnten die Perowskit-Zellen die Effizienz von Solarzellen auf Basis von Silizium übertreffen."#

Attraktiv für Anwendungen in der Photovoltaik

Der Rekordwert liegt zur Zeit bei rund 21 Prozent – im Vergleich zu knapp 25 bei Silizium. Aber nicht nur hohe Wirkungsgrade machen das Material so attraktiv für Anwendungen in der Photovoltaik. Es lässt sich auch besonders einfach und damit kostengünstig verarbeiten. Die Zellen von Henry Snaith sind aufgebaut wie ein Sandwich: In der aktiven Schicht in der Mitte entstehen die Ladungsträger. Und die beiden "Brotscheiben" bestehen aus Halbleitern, die dafür sorgen, dass der Strom in die richtige Richtung fließt. Herstellen lässt sich solch eine Zelle mit einfachen Mitteln.

"Wir können zum Beispiel Salze nehmen, fast wie unser Tafelsalz, die aber die Komponenten der Perowskit-Verbindung enthalten. Die lösen wir zusammen auf. Und diese Flüssigkeit lässt sich dann mit ganz normalen Druckmethoden großflächig auf Oberflächen aufbringen. Das dürfte deutlich günstiger sein als die Verarbeitung des Siliziums. Dazu benötigt man nämlich große Öfen, die das Halbmetall schmelzen können - über Dutzende von Stunden hinweg bei hohen Temperaturen."

Noch lässt die Langzeitstabilität zu wünschen übrig

Henry Snaith hat eine Firma gegründet, um die Perowskit-Technologie zur Marktreife zu entwickeln. Einige Jahre dürfte das noch dauern, denn im Moment lässt die Langzeitstabilität noch zu wünschen übrig. Und außerdem enthält die aktive Schicht das giftige Schwermetall Blei. Bevor die ersten Module installiert werden, muss der Physikprofessor einen Plan entwickeln: Wie lässt sich vermeiden, dass daraus eine Belastung für die Umwelt erwächst?

"Wir werden sie am Ende ihrer Lebensdauer recyceln müssen, um sicher zu gehen, dass das Blei nicht in die Umwelt gelangt. Und die Module müssen verkapselt werden. Auch das verhindert, dass Blei aus den Zellen ausgelaugt wird. So sieht unsere Strategie aus."

Außerdem arbeitet das Team von Henry Snaith daran, das giftige Blei zumindest teilweise durch andere Elemente zu ersetzen. Zinn gilt im Moment als vielversprechender Kandidat dafür. Dass sich die chemische Zusammensetzung von Perowskit-Verbindungen über einen weiten Bereich hin ändern lässt, sieht Anke Weidenkaff als einen großen Vorteil dieser vielfältigen Substanzklasse an.

"Perowskitartige Halbleiter, die kann man einsetzen für Batteriematerialien, für Brennstoffzellen, für Autoabgaskatalysatoren, für photovoltaische Anwendungen. Also das Anwendungsspektrum ist da sehr groß. Und wenn man das Material gut versteht, dann kann man die Zusammensetzung gezielt verändern, um dann bestimmte Funktionen zu erzeugen in dem Material."

Aufspaltung von Wasser in seine Elemente

An der Universität Stuttgart forscht die Professorin an Perowskit-Verbindungen für die Aufspaltung von Wasser in seine Elemente - mithilfe von Sonnenlicht. Damit lässt sich der Energieträger Wasserstoff gewinnen. Ganz wie in einer Solarzelle wandelt das Material das Sonnenlicht zu Ladungen um, die dann an unterschiedlichen Polen das Wasser zersetzen.

"Und somit kann man den Wasserstoff und den Sauerstoff getrennt voneinander erzeugen und den Wasserstoff abfüllen, um ihn hinterher zu nutzen in einer Brennstoffzelle oder einem Fahrzeugverbrennungsmotor."

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