Im Doppel stärker

Die technischen Möglichkeiten von herkömmlichen Solarzellen aus Silizium sind weitestgehend ausgereizt. Mit gestapelten Solarzellen lassen sich höhere Wirkungsgrade erzielen.


Photovoltaikanlage im Sonnenschein.
Bisher bestehen über 95 Prozent aller Solarzellen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Künftig könnten verschiedene Materialien übereinander "gestapelt" werden. (Foto: Bruno Glätsch/​Pixabay)

Fast ein Jahr lang konnte das Team vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) den Weltrekord halten. Die Forscher:innen hatten Anfang des vergangenen Jahres 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. Seine 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. "Hier lassen sich nur Verbesserungen im Promille-Bereich herauskitzeln", sagt der 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 aber den Wirkungsgrad erhöhen. Weil das bei der Silizium-Technologie nicht zu schaffen sei, werde schon länger versucht, verschiedene Materialien übereinander zu stapeln.

Gelöste und ungelöste Fragen

Allerdings hat die Tandem-Solarzelle noch mit einigen Problemen zu kämpfen. Die Perowskite haben keine idealen Grenzflächen: Dort wo eine andere Schicht der Solarzelle auf den Perowskit-Halbleiter trifft, kommt es zu Energieverlusten. Deshalb wird das Perowskit nicht direkt auf die elektrisch leitfähige Schicht platziert, die über den Siliziumzellen liegt.

Schematische Abbildung einer Tandemsolarzelle.
Schematischer Aufbau der Tandemsolarzelle aus unterschiedlichen Materialschichten. (Grafik: Eike Köhnen/​HZB)

Diese leitfähige Schicht hat viele winzige Krater und Defekte, sodass 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 die Forschenden in einer Studie erläutern, die jetzt im Fachmagazin Science veröffentlicht wurde.

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 hier Lösungen finden wird, um etwa das Blei durch Verkapselung zu binden.

Einsatz "nur eine Frage der Zeit"

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 muss sie 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 dreißig bis vierzig Jahre funktionieren, 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.

Unterstützen Sie unabhängigen Journalismus!

klimareporter° wird herausgegeben vom gemeinnützigen Klimawissen e.V. – Ihre Spende macht unabhängigen Journalismus zu Energiewende und Klimawandel möglich.

Spenden Sie hier