Die Forschung an organisch-anorganischen Hybridsolarzellen machen Fortschritte. Ein chinesisch-schweizerisches Forscherteam hat sich der Senkung der Herstellungskosten von Perowskit-Zellen angenommen. Englische und amerikanische Forscher beschäftigen sich derweil mit der Entgiftung dieser Zellen.
Ein chinesische-schweizerisches Forscherteam hat die Entwicklung der sogenannten Perowskit-Solarzellen vorangetrieben. Sie haben eine Solarzelle hergestellt, die auf den in der Produktion teuersten Teil der Technologie verzichten kann, auf die Lochtransportschicht. Bisher waren solche Schichten notwendig, um die durch das einfallende Sonnenlicht freigesetzten Elektronen effizient an die Elektroden zu transportieren. Die Herstellung dieser Lochtransportschicht führte aber dazu, dass die Zellen in der Herstellung noch sehr kostspielig sind und keine hohe Lebensdauer aufweisen. Die neue Zelle erreicht auch ohne diese Transportschicht eine Effizienz von 12,8 Prozent und hat einen Stabilitätstest überstanden. Dabei haben die Forscher die Zelle mehr als 1.000 Stunden der vollen Sonneneinstrahlung ausgesetzt. „Die Innovation kann die Kosten für Perowskit-Zellen reduzieren und die Markteinführung weiter vorantreiben“, betonen das Forscherteam, zu dem neben Wissenschaftlern auch der Altmeister der organischen Photovoltaik Michael Grätzel vom EPFL gehört.
Gegossene Kristalle
Das Forscherteam hat die neue Zelle hergestellt, indem sie eine Lösung aus Bleijodid, Methylammoniumjodid und Ammoniumpentansäure tröpfchenweise durch eine poröse Kohlenstoffschicht geleitet haben. Die Lösung tropfte in ein vorbereitetes Gerüst. Dazu haben die Wissenschaftler eine Doppelschicht aus Titandioxid und Zirkoniumdioxid mit einer Schicht aus porösem Kohlenstoff ummantelt. In die dadurch entstehenden Poren tropfte die Lösung. So haben sie die Perowski-Kristalle gezüchtet. Diese könnten viel mehr Elektronen freisetzen, wenn sie mit Sonnenlicht bestrahlt werden und erreichen damit einen erheblich höheren Wirkungsgrad als die bisher hergestellten Perowskit-Kristalle. Die Zellen mit drei Halbleiterschichten zeigen trotz des fehlenden organischen Lochleiters außerdem eine viel höhere Stabilität.
Für die Dünnschichtphotovoltaik interessant
Perowskit-Zellen sind ein Hybrid aus organischen Methylammoniumverbindungen und anorganischen Bleihalogeniden. Die Kristallstruktur ähnelt dabei der von Kalziumtitanat. Das Mineral weißt eine kubische Kristallstruktur auf, die aber aufgrund des zu kleinen Radius der Kalziumionen verzerrt ist. Die organisch-anorgansichen Hybridsolarzellen sind vor allem für die Dünnschichtphotovoltaik interessant. Schließlich können sie viel Licht absorbieren, sie erlauben den Ladungsträgern eine hohe Beweglichkeit. Außerdem können die Elektronen im Material lange Strecken zurücklegen, ohne zu rekombinieren. Mit ihrer neusten Entwicklung konnte das Forscherteam einen begrenzenden Faktor ausschalten.
Zellen entgiften
Allerdings stellt die Verwendung der giftigen Bleiverbindungen in den Zellen immer noch ein Problem dar, sollten sie tatsächlich in der Massenproduktion ankommen. Mit der Entgiftung der Perowski-Zellen haben sich zwei Forscherteams der Universität Oxford und der Northwestern University in Evanston, Illinois, beschäftigt. Beide Teams ersetzten das Blei durch Zinn, das im Periodensystem über dem Blei steht und damit eine ähnliche Elektronenstruktur hat. Die Entgiftung hat aber ihren Preis. Die Effizienz der Zellen sinkt auf ein Drittel der Zellen, in denen Bleiverbindungen verwendet werden. Die in Oxford hergestellte Zelle brachte es auch einen Wirkungsgrad von 6,4 Prozent und die Amerikaner kitzelten aus ihrer bleifreien Zelle nur 5,73 Prozent heraus. Die Forscher sind allerdings optimistisch, dass sie die Effizienz der bleifreien Zellen schnell weiter erhöhen können. Schließlich lagen die Wirkungsgrade der Perowskit-Zellen noch vor drei Jahren bei 3,8 Prozent. Inzwischen erreichen die Zellen 19,3 Prozent Effizienz. Sollten die Fortschritte bei der Weiterentwicklung der bleifreien Zellen genauso schnell gehen, dann wird in wenigen Jahren eine hocheffiziente und bleifreie Perowskit-Zelle zur Verfügung stehen. „Beide Arbeiten sind ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Herstellung preiswerter, hocheffizienter, umweltfreundlicher und langlebiger Solarzellen der nächsten Generation“, lobt Yang Yang, Materialforscher an der Universität von Kalifornien in Los Angeles. Sein Forscherteam hält den Effizienzrekord. Im Mai dieses Jahres hatten die Amerikaner eine Perowskit-Zelle mit einem Wirkungsgrad von 19,3 Prozent vorgestellt – allerdings noch in der verbleiten Variante. (Sven Ullrich)
