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Mehr Power aus der Sonne : Das Wundermaterial der Photovoltaik

In Deutschland kommt werden bereits sieben Prozent des elektrischen Stroms von Photovolatik-Anlagen erzeugt. Tendenz steigend. Bild: AP

Perowskit-Solarzellen sind die Hoffnungsträger der Photovoltaik. Sie sind günstig, leicht herzustellen und äußerst effizient. Aber erst im Doppelpack mit anderen Zellen entwickeln sie die volle Kraft.

          5 Min.

          Die Sonne ist eine schier unerschöpfliche Energiequelle. Die auf die Erde treffenden Sonnenstrahlen geben pro Quadratmeter eine Leistung von etwa 1000 Watt ab - abhängig vom Einfallswinkel und der geographischen Lage. Könnte man nur einen Bruchteil davon anzapfen, ließen sich viele Energiefragen lösen, so der Traum. Zwar prägen die bläulich schimmernden Solarmodule aus Silizium auf Dächern und Feldern vielerorts schon das Stadt- und Landschaftsbild. Doch die Photovoltaik spielt bei der Energiegewinnung noch immer eine untergeordnete Rolle. Sie deckt gegenwärtig erst knapp zwei Prozent des weltweiten Stromverbrauchs. In Deutschland, wo man sich die Energiewende auf die energiepolitische Agenda geschrieben hat, beträgt der Anteil bereits sieben Prozent. Tendenz steigend.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Doch die Entwickler von Solarzellen stecken in einer Zwickmühle: Sie wollen einerseits möglichst viel Sonnenlicht in nutzbaren Strom umwandeln, andererseits die Kosten für Materialien und Herstellung der Solarzellen möglichst niedrig halten. Zwei Bestrebungen, die sich nur schwer unter einen Hut bringen lassen. Doch es gibt Hoffnung. Große Erwartung setzt die Branche in ein kristallines Material, das in den vergangenen Jahren eine erstaunliche Entwicklung durchlaufen hat. Die Rede ist von der Materialklasse der Perowskite. Dieses kristalline metall-organische Verbindung, die auf bleihaltige Ammonium-Halogenide basiert und die gleiche kubische Kristallstruktur wie das Mineral Kalziumtitanat aufweist, kann Sonnenlicht bereits fast so effizient in elektrische Energie umwandeln wie Silizium, ist leicht verfügbar und einfach zu verarbeiten. Für Materialforscher könnten Perowskit-Solarzellen zu einer ersten Konkurrenz für die Solarzellen aus Silizium werden, die den Markt beherrschen.

          Sensationelle Entwicklung des Wirkungsgrades

          Seit mehr als 180 Jahren bekannt, werden keramische Oxide mit einer kubischen Perowskit-Struktur schon länger für die verschiedensten technischen Anwendungen genutzt. Oxid-Verbindungen wie Titanate beispielsweise haben ferroelektrische, halbleitende oder piezoelektrische und supraleitende Eigenschaften. Lange Zeit kam aber keiner auf die Idee, metall-organische Verbindungen mit einer  Perowskit-Struktur in der Photovoltaik zu nutzen.

          Diese kleinen, im Jahr 2013 von Schweizer Wissenschaftlern präsentierten Perowskit-Solarzellen können 20 Prozent des Sonnenlichts anzapfen.
          Diese kleinen, im Jahr 2013 von Schweizer Wissenschaftlern präsentierten Perowskit-Solarzellen können 20 Prozent des Sonnenlichts anzapfen. : Bild: EPFL, Alain Herzog/

          Das änderte sich erst vor etwa neun Jahren, als  japanische Forscher um Tsutomu Miyasaka von der Toin-Universität in Yokohama aus dem Material erstmals eine funktionierende Solarzelle bauten. Der Prototyp erreichte immerhin einen Wirkungsgrad von fast vier Prozent. Allerdings löste sich das Material bereits nach wenigen Minuten auf. Der Grund war eine in der Zelle  verwendetes elektrolytisches Lösungsmittel. Doch schon  vier Jahre später präsentierten Forscher um Henry J.  Snaith von der University of Oxford eine deutlich robustere Perowskit-Zelle mit einem Wirkungsgrad von 15 Prozent. Weniger später konnte die Lichtausbeute  von anderen Gruppen auf 20 Prozent gesteigert werden. Der aktuelle Rekord beläuft sich auf 22,7 Prozent und wird von chinesischen Wissenschaftlern gehalten. Die Zelle übertrifft damit die Leistungsfähigkeit von herkömmlichen Dünnschichtsolarzellen aus Cadmium-Tellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS-Zellen). In der Photovoltaik gilt eine solche rasante Effizienzsteigerung, wie sie man sie bei Perowskit-Solarzellen erlebt,  als Sensation. Bei Siliziumsolarzellen bedurfte es für einen vergleichbaren Fortschritt ein gutes Vierteljahrhundert an Entwicklungsarbeit.

          Und es gibt noch Luft nach oben. Wirkungsgrade von mehr als 25 Prozent scheinen durchaus möglich zu sein. Damit würden Perowskit-Zellen schon fast an die leistungsfähigsten Silizium-Solarzellen herankommen, die derzeit 26,7 Prozent des Sonnenlichts anzapfen können. Für Silizium ist damit allerdings schon fast das Ende der Fahnenstange erreicht. Das theoretische Maximum liegt bei 29 Prozent. Bei Perowskit-Solarzellen ist der theoretische maximal erreichbare Wert deutlich höher. Zudem haben die Perowskit-Zellen den Vorteil, dass sie sich durch Bedampfen oder Drucken als extrem dünne Schichten ohne großen Aufwand auf Oberflächen aufbringen lassen. Die Schichtdicke der Perowskite misst nur 300 bis 400 Nanometer.  Man benötigt deshalb im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen aus kristallinem Silizium nur wenig Material.

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