Perowskit-Silizium-Tandemzellen: Ein Durchbruch für die Energiewende?

In Deutschland schreitet die Energiewende voran, und auf mehr und mehr Dächern liegen Silizium-Solarzellen. Sie absorbieren hochenergetisches, kurzwelliges Licht – haben aber leider einen entscheidenden Nachteil: Überschüssige Energie geht als Wärme verloren.

Denn herkömmliche Solarzellen wandeln nicht einmal ein Drittel des aufgenommenen Sonnenlichts in elektrische Energie um (29,4 Prozent). „Mehr geht nicht“, sagt Martin Hermle, Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Doch Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) und des Exzellenzclusters e-conversion gelang ein entscheidender Fortschritt mit sogenannten Perowskit-Silizium-Tandemzellen.

Die Forscher konnten zeigen, wie Temperaturschwankungen die empfindliche Perowskit-Schicht altern lassen – und fanden zugleich einen Weg, diesen Prozess zu verhindern. Tandem-Solarzellen mit Perowskit können laut Hermle bis zu 50 Prozent mehr elektrische Energie aus dem Sonnenspektrum umwandeln. Sind sie die Zukunft der Photovoltaik und werden schon bald auf den deutschen Hausdächern liegen?

Bei Perowskit-Silizium-Tandemzellen werden zwei Materialien übereinandergestapelt, die jeweils unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums nutzen. Die besten Tandemzellen erreichen laut Hermle einen Wirkungsgrad von 35 Prozent, theoretisch sind sogar bis zu 43,2 Prozent möglich.

Das Problem: Bislang ist die Technologie noch nicht für die industrielle Massenproduktion geeignet. „Es gibt einen ganzen Blumenstrauß an Herausforderungen“, sagt Hermle. Doch Peter Müller-Buschbaum, Leiter des Lehrstuhls für Funktionelle Materialien an der TUM School of Natural Sciences, gibt sich mit Blick auf die Tandem-Solarzellen zuversichtlich. Er geht davon aus: „In ein paar Jahren wird das der normale Standard sein.“ Denn bei der Lösung einer der zentralen Herausforderungen ist sein Team einen entscheidenden Schritt weitergekommen.

Im Zentrum des Fortschritts steht das Perowskit. Dabei handelt es sich um ein Mineral mit einer spezifischen Kristallstruktur, das nach dem russischen Mineralogen Lew Alexejewitsch Perowski benannt ist. An Solarzellen mit Perowskit forscht derzeit auch das Solarunternehmen Q-Cells, das bereits eine Pilotlinie für Tandem-Solarzellen hat.

Auch Maximilian Schurade sieht in Tandem-Solarzellen mit Perowskit einen „heißen Kandidaten“ für die zukünftige Massenproduktion. Er ist Leiter des Bereichs „Technical Solution & Services“ bei Q-Cells. Er erläutert die Funktionsweise des Tandems: Die dünne Perowskit-Schicht nutzt das energiereiche Licht, das Silizium-Element das energieärmere. Dadurch kann mehr Energie pro Fläche erzeugt werden als bei den bislang üblichen Silizium-Solarzellen.

Hinzu kommt, dass für die untere Schicht der Tandem-Solarzelle modifizierte Silizium-Solarzellen eingesetzt werden. Sie basieren auf am Markt etablierten hocheffizienten Technologien wie etwa Topcon oder Heterojunction. „Jeder Hersteller kann da im Prinzip nach seiner Vorkenntnis selektieren und obendrauf eine Perowskit-Schicht setzen“, sagt Schurade.

Doch mit dem Einsatz von Perowskit gehen auch neue Herausforderungen einher. Schurade erläutert: „Früher mussten im Labor hergestellte Tandem-Solarzellen praktisch sofort vermessen werden.“ Sie wiesen nämlich innerhalb weniger Minuten bereits eine Degradation auf und verloren an Leistung – gemeint ist ein enorm schneller Alterungsprozess.

Zwar sei man davon laut Schurade mittlerweile weit entfernt. Dennoch beschäftigt die Empfindlichkeit des Materials die Forscher weiterhin. Ein wesentliches Problem ist laut Hermle, dass sich die Ionen im Perowskit durch Temperatur oder Licht bewegen können, wodurch das Material instabiler wird und sich verschlechtert. Aktuelle Entwicklungen zielen darauf, eine Lebensdauer von 20 Jahren und mehr zu erreichen.

Aus diesem Grund beschäftigten sich die TUM-Experten damit, wie sich Temperaturschwankungen auf Solarzellen mit Perowskiten auswirken. Im Labor simulierten die Forscher Wechsel zwischen Hitze und Kälte, wie sie auch unter realen Bedingungen auftreten. Denn während die Temperaturen in Frühlingsnächten gerne einmal um den Gefrierpunkt liegen, heizt sich eine Solarzelle tagsüber unter Sonneneinstrahlung bei 20 Grad schnell auf deutlich über 70 Grad auf. Der Temperaturanstieg erfolgt so massiv, weil ein Teil des Sonnenlichts nicht nur in Strom, sondern auch in Wärme umgewandelt wird.

Die starken Temperaturunterschiede setzen das Material unter Stress. Dies passiert in der anfänglichen, sogenannten Einbrenn-Phase. „Durch Wärme kommt es auf atomarer Ebene in der Kristallstruktur zu Ausdehnungen, während es bei Kälte zum Zusammendrücken kommt“, sagt Müller-Buschbaum. Das baut Spannung auf, die sich am Ende in einer schnelleren Alterung des Materials der Zellen äußert, wobei sie bis zu 60 Prozent ihrer relativen Leistungsfähigkeit verlieren.

Nun haben die Forscher einen Ansatz gefunden, um das Problem anzugehen. Das Molekül PDMA – eine Art „Ankermolekül“ – sorgt für innere Flexibilität. „Dadurch können die Prozesse des Ausdehnens und Zusammenziehens besser abgefangen werden“, beschreibt Müller-Buschbaum den Vorteil, der die Alterung der Solarzellen abbremst.

Bislang handelt es sich bei den aktuellen Studien um Grundlagenforschung, die nicht direkt zu einem kommerziellen Produkt führt. Dennoch betont Müller-Buschbaum, dass ein wichtiger Schritt in Richtung Praxistauglichkeit getan ist. „Wir denken schon, dass das ein Durchbruch in dem Sinne ist, die Technologie in die Wirklichkeit zu führen“, sagt er.