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Für einen kommerziellen Außeneinsatz müssen Solarzellen 30 bis 40 Jahre Leistung bringen.
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Für einen kommerziellen Außeneinsatz müssen Solarzellen 30 bis 40 Jahre Leistung bringen.

Erneuerbare Energie

Mit Tandem-Solarzellen zum Rekord

  • vonSandra Kirchner
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Gestapelte Solarzellen erzielen deutlich höhere Wirkungsgrade. Die neue Technologie könnte die Energiewende beflügeln.

Fast ein Jahr lang konnte das Team vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) den Weltrekord halten. Die Materialforscher:innen hatten Anfang 2020 zwei verschiedene Solarzellen zu einer sogenannten Tandem-Solarzelle kombiniert und damit einen Wirkungsgrad von 29,15 Prozent erzielt. Das war zuvor unerreicht. Vor wenigen Wochen nun hat das britische Unternehmen Oxford PV einen neuen Rekord aufgestellt, ihre Tandem-Solarzellen kommen auf einen Wirkungsgrad von 29,52 Prozent.

Statt nur einen Halbleiter, in der Regel Silizium, verwenden die Berliner Forschenden gemeinsam mit Kolleg:innen aus ganz Europa zusätzlich Perowskit. „Diese Perowskite – in unserem Fall Metall-Halogenid-Perowskite – sind eine Mischung aus organischen und anorganischen Materialien in einer Kristallstruktur“, sagt der Physiker Amran Al-Ashouri vom HZB. Perowskit habe sich in der Wissenschaft als extrem wundersames Material bewährt, weil es stark Licht absorbieren und fast verlustfrei Ladungsträger erzeugen könne.

Zudem ist Perowskit ein idealer Bündnispartner für das Silizium. Denn während Silizium nur den roten Anteil von Licht effizient nutzen kann, nimmt Perowskit den sichtbaren Teil des Spektrums auf. Und so ist die Kombination um 50 Prozent effizienter als herkömmliche Siliziumzellen, die bisher in den meisten Solarmodulen verbaut werden.

Der Wirkungsgrad von kommerziellen Siliziumzellen liegt bei 22 Prozent. Und die Technik ist weitgehend ausgereizt. „Da lassen sich nur Verbesserungen im Promille-Bereich herauskitzeln“, sagt Energiewissenschaftler Volker Quaschning von der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, der nicht an der Entwicklung beteiligt war. Wenn man die Kosten weiter senken wolle, müsse man daher den Wirkungsgrad erhöhen. Weil das bei der Silizium-Technologie nicht zu schaffen sei, werde schon länger versucht, verschiedene Materialien übereinander zu stapeln. Allerdings hat die Tandem-Solarzelle noch mit einigen Problemen zu kämpfen. Die Perowskite haben nicht-ideale Grenzflächen, an denen es zu Energieverlusten kommt. Deshalb wird das Perowskit nicht direkt auf die elektrisch leitfähige Schicht platziert, die über den Siliziumzellen liegt. Diese leitfähige Schicht hat viele winzige Krater und Defekte, so dass dort Ladungsträger verloren gehen.

Um das zu verhindern, haben Al-Ashouri und seine Kolleg:innen eine Zwischenschicht (die sogenannte selbstorganisierte Monolage) eingezogen. „Wir haben organische Moleküle entwickelt, die an bestimmten Stellen der leitfähigen Schicht andocken und damit Defekte deaktivieren“, sagt Al-Ashouri. „Wir haben sozusagen zuerst das perfekte Bett eingerichtet, auf das sich die Perowskit-Schicht legt.“ Dadurch gehen weniger Ladungsträger verloren. Das hat den Wirkungsgrad erheblich verbessert, wie das Team in einer Studie erläutert, die im Fachmagazin „Science“ veröffentlicht wurde.

Ein Schematischer Aufbau der Tandem-Solarzelle.

Aber es gibt ein weiteres Problem: Effiziente Perowskit-Solarzellen kommen noch nicht ohne Blei aus, ein hochgiftiges Schwermetall. Zwar würde ein Modul aus Perowskit-Solarzellen nur wenige Gramm Blei enthalten, aber man muss dafür sorgen, dass es nicht ins Grundwasser gelangt. Physiker Al-Ashouri ist sich sicher, dass die Forschung Lösungen finden wird, um etwa das Blei durch Verkapselung zu binden.

Ob sich die in Berlin entwickelte Tandem-Solarzelle durchsetzen wird, ist aus Sicht von Expert:innen derzeit noch offen. „Damit sich eine neue Technik bei Solaranlagen durchsetzt, muss sie drei Anforderungen erfüllen“, sagt Volker Quaschning. „Das Material muss billig sein, die Technik muss einen guten Wirkungsgrad haben und drittens sie muss auch noch lange halten.“

Beim letzten Punkt hat die Forschung noch einiges zu tun. Zwar ist die Stabilität der Tandem-Solarzellen mit etwa fünf Prozent Leistungsverlust nach 300 Stunden ohne Verkapselung erstaunlich hoch. Aber für einen Einsatz auf dem Dach reicht das noch lange nicht. Da müssen die Zellen schon 30 bis 40 Jahre bestehen, um mit der etablierten Siliziumzelle mithalten zu können.

Bislang gibt es Silizium-Perowskit-Tandemzellen nur als Sonderanfertigung im Labor. Auch wenn es mit dem breiten Einsatz von Tandem-Solarzellen noch etwas dauern wird, gehört ihnen aus Sicht von Energiewissenschaftler Quaschning die Zukunft.

„In den nächsten Jahren werden wir auf alle Fälle solche Stapel-Zellen im Einsatz haben, die Wirkungsgrade von 30 Prozent und mehr haben“, sagt er voraus. Momentan gebe es eine große Dynamik bei der Photovoltaik. Da sei es nur eine Frage der Zeit, bis sich die neue Technologie durchsetze.

Effizientere Solarmodule können die Energiewende beflügeln. Auf weniger Fläche ließe sich dann mehr Strom erzeugen, als es bislang der Fall ist. Und beim Solarstrom würden die Preise weiter fallen.

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