Dünnschicht ist tot, es lebe die Dünnschicht! Nach dem ersten Hype um Solarmodule mit aufgesputterten Schichtzellen aus Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Kompositen (CIGS) steht eine neue Technologie in den Startlöchern. Perowskite gelten als neue Hoffnungsträger der Photovoltaik.
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Der Begriff steht für bestimmte Mineralien, denen eine typische Kristallstruktur gemeinsam ist. Schon 1840 hat sie ein deutscher Wissenschaftler aus Fundstücken aus dem Ural klassifiziert und nach seinem russischen Kollegen Lew Perowski benannt. „Seit zehn Jahren werden Perowksite erforscht“, analysierte Michael Powalla, Professor am ZSW in Stuttgart. „Bisher gibt es sehr kleine Laborzellen.“
Perowskite: Hohe Effizienz, aber instabil
Jeden Tag 14 neue Papers
Bei einem Vortrag zur Frühjahrstagung der Solarbranche im Kloster Banz fasste Powalla den Stand der Forschungen zusammen. Weltweit befassen sich viele Forschergruppen mit diesem Thema. „Bislang gibt es mehr als 35.000 wissenschaftliche Veröffentlichungen zu den Tandemzellen mit Perowskiten“, rechnete er vor. „Pro Tag kommen bis zu 14 Publikationen hinzu.“
Als Solarhalbleiter gehören die Perowskite zu den sogenannten Verbindungshalbleitern, wie beispielsweise CIGS oder Cadmiumtellurid. Genau genommen handelt es sich um metallorganische Dünnschichtzellen.
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Recht große Bandlücke
Das Material ist komplex, viel komplexer als kristallines Silizium. Im ursprünglichen Mineral steckte Methylammoniumbleijodid, also ein Hybrid aus organischem Methylammonium und Bleijodid, das anorganisch ist. Weil die Perowskite Hybride sind, unterscheiden sie sich von CIGS, das rein anorganisch ist. Mittlerweile gibt es eine ganz große Familie von Perowskiten, die beispielsweise mit Cäsiumbleijodid sogar auch rein anorganische Materialien umfasst.
Besonders wichtig für Solarzellen ist die recht große Bandlücke, die man sehr gut einstellen und anpassen kann. Die Bandlücke der Perowskite fängt vor allem sichtbares und ultraviolettes Licht ein, also den Anteil im Sonnenspektrum, der höhere Frequenzen und geringere Wellenlängen zeigt.
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Silizium hat dagegen eine feste, eher kleine Bandlücke. Siliziumzellen nutzen auch rotes und infrarotes Licht, um daraus elektrischen Strom zu generieren, beuten aber sichtbares Licht nicht so gut aus.
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Höhere Spannungen, geringere Ströme
Daraus folgt, dass die elektrischen Spannungen aus Perowskitzellen höher sind als aus Siliziumzellen. Allerdings sind die elektrischen Ströme geringer. Obwohl es noch keine Module mit den neuen Zellen gibt, zeichnet sich ein Trend ab: Die Perowskite werden in Tandemzellen oder Triplezellen mit amorphem oder mikromorphem Silizium, Cadmiumtellurid oder CIGS integriert.
Als Substrat für das photoaktive Schichtenpaket dient in der Regel kristallines Silizium. Die eigentliche Solarzelle ist weniger als ein Mikrometer dick. Powalla schätzte ein: „Die große Herausforderung ist der Übergang von der Laborzelle zum flächigen Solarmodul.“ (gekürzt, HS)
Den vollständigen Fachreport lesen Sie hier, wir haben ihn für Sie freigestellt. Er erschien im Mai 2024 in photovoltaik.
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