Hoffnung auf neue TechnologieTandemzellen sollen den Solarmarkt umkrempeln
Von Thomas Isenburg
ntv bei Google bevorzugenReine Siliziumzellen beherrschen den Solarmarkt, stoßen aber physikalisch an ihre Grenzen. Tandemzellen mit Perowskit-Schicht versprechen deutlich mehr Ausbeute aus dem Sonnenlicht. In Brandenburg läuft bereits eine erste Produktionslinie.
Tandemsolarzellen sind ein Entwicklungstrend bei der Solarenergie. Durch die Kombination von mehreren Solarzellen erweitern sie das Spektrum des ausgeschöpften Sonnenlichts. Das steigert die Ausbeute an elektrischer Energie gegenüber klassischen Siliziummodulen erheblich.
Ein Material mit geringer Bandlücke - wie das heute dominierende Silizium - kann zwar sehr viele Photonen, also einen großen Teil des Sonnenspektrums, absorbieren. Aber ein Großteil der Energie, die im kurzwelligen Bereich des Sonnenspektrums enthalten ist, wird in Materialien mit kleinen Bandlücken nicht in elektrische Energie umgewandelt, sondern geht als Wärme verloren, erklärt Robby Peibst. Er forscht seit 2010 am ISFH (Institut für Solarenergieforschung GmbH) in Emmerthal und leitet dort seit 2013 die Forschungsgruppe "Solarzellen der nächsten Generation".
Wie funktionieren Tandemzellen?
Eine Tandemzelle löst diese Herausforderung, indem sie zwei Materialien kombiniert: ein Material mit großer Bandlücke, das den kurzwelligen Spektralbereich effizient umwandelt, und ein Material mit kleiner Bandlücke, das den langwelligen Bereich des Sonnenspektrums absorbiert. Die beiden Teilzellen teilen das Spektrum auf, wodurch sich der Strom in jeder Teilzelle etwa halbiert. Die Spannungen, die beide Subzellen liefern, addieren sich jedoch, sodass deutlich höhere Wirkungsgrade als mit nur einem Material möglich sind.
Bei einem Tandem aus zwei Materialien liegt das theoretische Wirkungsgradpotenzial bei etwa 45 Prozent im Vergleich zu etwa 33 Prozent bei nur einem Material. Es ist möglich, das Konzept weiterzuverfolgen und noch mehr Materialien mit jeweils abgestuften Bandlücken zu kombinieren. Der aktuelle Wirkungsgrad-Weltrekord von 47,6 Prozent wurde mit einer Solarzelle erreicht, die vier verschiedene Materialien kombinierte (wobei hier auch hochkonzentriertes Licht verwendet wurde), so Peibst. Noch kämpfen die Forscherteams mit vielen Problemen. Eines davon ist die Stabilität der Zellen.
In der Industrie hat ein Run auf die neuen Produkte eingesetzt: In Brandenburg an der Havel hat das britische Startup Oxford PV bereits eine erste Produktionslinie aufgebaut. Der Standort ist weltweit der erste für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit einer angestrebten Produktionskapazität von 100 Megawatt pro Jahr. Oxford PV ist Pionier und Technologieführer auf dem Gebiet der Perowskit-basierten Photovoltaik mit einem Portfolio von mehreren 100 Patenten.
Das südkoreanische Unternehmen Hanwha Qcells will für 100 Millionen Dollar eine Produktionslinie aufbauen, die noch in diesem Jahr marktreife Perowskit-Silizium-Tandemmodule herstellen kann. Auch in den USA und China stehen Unternehmen in den Startlöchern. Im Labor erreichen diese Tandemsolarzellen heute Wirkungsgrade von 33,9 Prozent.
Perowskit-Solarzellen haben das Potenzial, den Photovoltaik-Markt zu revolutionieren, sagt Ulrich Paetzold, Leiter des Bereichs Next Generation Photovoltaics am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Technologie könne dazu beitragen, die Stromkosten weiter zu senken. Allerdings gebe es noch einige technologische Herausforderungen in Bezug auf die Stabilität des Materials und die Produktion im großen Maßstab, so Paetzold. Skalierbare Produktionsprozesse müssten die Perowskit-Schicht aufgrund der hohen Durchsätze in der Industrie sehr schnell, sehr homogen und fehlerfrei abscheiden. Letzteres sei eine aktuelle technologische Herausforderung.
Stand der Forschung
Bei den Tandemzellen liegt der Schwerpunkt der weltweiten Forschung derzeit auf der Materialklasse der Perowskite, die mit den richtigen Komponenten sehr effiziente Solarzellen ergeben können. Diese Perowskite bieten eine Kombination positiver Eigenschaften: Ihre Bandlücke lässt sich über die genaue Zusammensetzung in einem weiten Bereich einstellen, sodass die oben genannten Kriterien für geeignete Tandempartner erfüllt werden können - für verschiedene Tandemkombinationen.
Perowskite absorbieren ihren Teil des Sonnenspektrums sehr effizient, sodass wenige Mikrometer dünne Schichten völlig ausreichend ist. Die Bestandteile der Perowskite sind preiswert und in ausreichender Menge verfügbar. Die genannten hohen Wirkungsgrade werden auch dann erreicht, wenn die Perowskit-Schichten aus vielen wenige 10 bis 100 Nanometer großen Körnern bestehen. Korngrenzen, die bei anderen Materialien wie Silizium die elektronischen Eigenschaften verschlechtern, spielen bei Perowskiten kaum eine Rolle.
Deshalb ist es möglich, für die Herstellung der Perowskit-Schichten sehr kostengünstige Abscheideverfahren einzusetzen, die eben solche körnigen oder polykristallinen Schichten erzeugen. Man muss also nicht mehr wie bei anderen Materialien darauf achten, dass die Schichten perfekt geordnet aufwachsen - was nur mit sehr teuren Verfahren möglich ist. Mit den Perowskiten steht somit erstmals ein Tandempartner für Silizium zur Verfügung, mit dem sich nicht nur gute, sondern potenziell auch kostengünstige Tandemzellen realisieren lassen.
Perowskit-Halbleiter haben optimale optoelektronische Eigenschaften, so dass mit Perowskit-Solarzellen sehr hohe Umwandlungswirkungsgrade erreicht werden können. Hohe Wirkungsgrade wiederum ermöglichen es, sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Nachhaltigkeit der Photovoltaik weiter zu verbessern. Deshalb werden Perowskite eine wichtige Rolle in der nächsten Generation der Photovoltaik spielen.
Stefan Glunz, Abteilungsleiter Photovoltaik am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme und Professor für Photovoltaische Energiewandlung an der Universität Freiburg
Die Abscheidung der Perowskite erfolgt bei niedrigen Temperaturen, sodass Perowskit-Solarzellen (ohne Silizium) eine sehr kurze Energierücklaufzeit haben, also die Zeitspanne, die eine Solaranlage in Betrieb sein muss, um genau die Menge an Energie zu erzeugen, die für ihre gesamte Herstellung verbraucht wurde. Demgegenüber stehen die Nachteile einer noch nicht ausreichenden Stabilität und die Notwendigkeit der Verwendung von Blei als Bestandteil der (sehr dünnen) Perowskit-Schichten.
Stabilität die zentrale Herausforderung
Die Verbesserung der Stabilität als zentrale Herausforderung der Perowskite erfordert eine optimale Auswahl aller in der Solarzelle enthaltenen Materialien. Dazu gehören neben den Perowskiten selbst auch Kontakt- und Zwischenschichten sowie geeignete skalierbare Herstellungsverfahren und eine optimierte Verkapselung der Module.
Auch die Stabilität steht in Wechselwirkung mit der angestrebten Tandemstruktur: Ein Extrembeispiel sind die sehr attraktiven Perowskite oder Perowskit-Tandems, die aber gleich mehrere knifflige Stabilitätsherausforderungen in sich vereinen. Am anderen Ende der Skala stehen sogenannte 3-Terminal-Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen, zu denen das ISFH mit Partnern bereits viele Beiträge geleistet hat und die mit den derzeit stabilsten Perowskiten kompatibel sind.
Für die industrielle Umsetzung nutzt man auch Erfahrungen aus dem Siliziumbereich. So wird gerade daran gearbeitet, wichtige Schritte der Perowskit-Herstellung in Quarzöfen zu realisieren, die in der Siliziumprozessierung üblich sind und aufgrund der großen Anzahl gleichzeitig prozessierter Wafer einen sehr hohen Durchsatz ermöglichen.
Wette auf die Zukunft
Die Bedeutung der Tandem-Technologie hat mehrere Dimensionen: Technologisch ist es eine Wette auf die Zukunft, ob die noch bestehenden Herausforderungen gelöst werden können oder sich als fundamentale Roadblocks erweisen. Ein Scheitern der Perowskit-Tandemtechnologie wird angesichts der enormen Forschungsanstrengungen weltweit für unwahrscheinlich gehalten. Ein ermutigendes Beispiel ist die organische Elektronik, die anfangs ebenfalls mit Stabilitätsproblemen zu kämpfen hatte. Heute sind OLEDs Standard in Displays und Bildschirmen.
Ökonomisch hat die Arbeit an der Technologie für die beteiligten Unternehmen vermutlich schon heute indirekte Vorteile: Wer für sich in Anspruch nehmen kann, bei der Entwicklung des nächsten großen Technologiesprungs gut aufgestellt zu sein, kann dies als Argument bei der Kapitalbeschaffung nutzen - auch wenn die Massenproduktion derzeit noch auf Silizium basiert.
Aus ökologischer Sicht ist angesichts der sehr hohen Ausbauraten der Photovoltaik gerade der Aspekt der geringen Energierückzahldauer ein großer potenzieller Vorteil der "All-Perowskit"-Tandemtechnologie. Allerdings sind die Arbeitskosten für die Installateure der Solaranlagen ("BOS-Kosten") auch in Deutschland hoch und müssen durch einen möglichst hohen Energieertrag - unter anderem proportional zur Anlagenlebensdauer - kompensiert werden. Insofern ist der Aspekt der geringen Energierückzahldauer eher ein perspektivischer Vorteil, der sich nach ausreichender Verbesserung der Stabilität einstellt.
Forschung in vollem Gange
Gelegentlich werden Spezialanwendungen wie die fahrzeugintegrierte Photovoltaik als erste Anwendung für Tandemsolarzellen genannt, da hier der Platzmangel einen umso höheren Wirkungsgrad erfordert und die Lebensdauer des Fahrzeugs nicht mehr als 25 Jahre beträgt. Hier wird skeptisch bewertet, da noch einige "Wenn dies und jenes gelöst ist"-Bedingungen hinzukommen.
Die Forschung auf dem Gebiet der Tandemsolarzellen ist in vollem Gange. Beträchtlich sind die Forschungsanstrengungen. Für eine breite industrielle Anwendung fehlt es noch an Stabilität. Die Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung steigen durch die dünnen Schichten.