Das Mineral Perowskit verspricht billigere Solarzellen
Mit Perowskit, einem realtiv häufig vorkommenden Mineral aus der Mineralklasse der Oxide und Hydroxide, haben Forscher ein interessantes neues Material gefunden, das sich als Alternative zu Silizium bei der Produktion von Solarzellen eignet. Schweizer Wissenschaftler haben jetzt ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Perowskit ohne besonderen technischen Aufwand verarbeiten lässt.
Michael Grätzel von der ETH Lausanne.
Foto: Alain Herzog/EPFL
Das verspricht effizientere Solarzellen zu einem deutlich attraktiveren Preis als Silizium. Experten sprechen von einer Innovation, die das Potenzial hat, die Fotovoltaik nachhaltig zu verändern.
Ein innovatives Material mit hohem Wirkungsgrad
Die neue „Wunderwaffe“ der Energieerzeugung basiert auf einer Verbindung aus der Gruppe der Titanate. Das US Magazin „Science“ zählte Perowskit-Solarzellen immerhin zu den zehn wichtigsten wissenschaftlichen Erfolgen in 2013. Perowskite eignen sich so gut, weil sie die Lichtenergie gut absorbieren und gleichzeitig hohe Diffusionslängen aufweisen. Die Distanz, die ein Elektron zurücklegt, bevor es seinen angeregten Zustand verliert und wieder Teil der Kristallbildung wird, ist bei ihnen besonders groß. Während das bei einzelnen anderen Materialien zwar auch der Fall ist, lassen sich letztere nicht ohne hochgiftige Lösungsmittel bei Raumtemperatur produzieren.
Anstoß kam aus Japan
Tsutomu Miyasaka, Professor an der Universität Toin in Yokohama gehört zu den Vorreitern dieser Entwicklung. Schon zwischen 2006 und 2008 setzte der Japaner Perowskit als Rohmaterial in Solarzellen ein. Dabei wurde das Licht nicht durch herkömmliche Farbstoffe eingefangen, sondern durch winzige bleihaltige Perowskit-Kristalle. Der Ausgangsstoff enthielt unter anderem Stickstoff, Blei und Jod. War der Wirkungsgrad anfangs enttäuschend niedrig, so ist es inzwischen gelungen ihn deutlich zu erhöhen. Miyasaka sieht eine Quote von 22 Prozent durchaus in Griffweite. Solarzellenforscher Michael Grätzel von der ETH Lausanne erwartet ebenfalls, dass er bei seinen Solarzellen den Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent noch auf 20 bis 25 Prozent steigern könnte. Das entspricht mehr oder weniger den Werten der gegenwärtigen Zellen auf dem Markt.
Eine effektive Produktionsart
Grätzels Forschungsgruppe ist es jetzt zudem gelungen eine besonders effektive Produktionsart zu entwickeln. Dabei können die Solarzellen ganz ohne Vakuum in wenigen Minuten hergestellt werden. Bei der Produktion wird eine Flüssigkeit aus Metallen und organischen Bestandteilen auf ein poröses Substrat aus dem bekannten Weißpigment Titandioxid, das in jeder Zahnpasta vorkommt, aufgetragen.
Die Flüssigkeit versickert innerhalb einer Minute. Danach wird das Substrat zwischen Elektroden angeschlossen. Um das Sonnenlicht nahezu vollständig einzufangen, genügt bereits eine dünne Lage des Materials. Das ermöglicht die Herstellung viel dünnerer Solarzellen.
Einige Forscher sehen die Chancen für Perowskit vor allem in Kombination mit Siliziumzellen. Gab es bisher keinen geeigneten Partner für Silizium, so kommt Perowskit nahe an die Werte von Silizum heran. Dabei wird argumentiert, dass die Absorbation von Licht bei Perowskit-Materialien im Infrarotbereich des Spektrums nicht besonders gut ist. Hier liegt wiederum die Stärke der Silizium-basierten Solarzellen. In der Theorie könnte eine mehrschichtige Struktur mit beiden Materialtypen die Energieumwandlung maximieren und eine Effizienz von sogar über 30 Prozent erreichen.
Einige Hürden müssen noch überwunden werden
Der größte Nachteil des neuen Materials liegt an dem, wenn auch nur sehr geringem Bleianteil. Es wird befürchtet, dass die Politik in Zukunft Richtlinien durchsetzen könnte, die Blei aus Solarzellen verbannt. Eine andere Hürde ist, dass die Produktion noch nicht stabil und zuverlässig ist.
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