Perowskit Solarzellen: der aktuelle Stand

21. Juni 2022
Sie sind günstig herzustellen, vielseitig einsetzbar und sollen die Solarzellenforschung mit einem hohen Wirkungsgrad revolutionieren: Perowskit Solarzellen. Doch was genau ist das Besondere an dieser neuen Generation der Solarzellentechnologie? Wie funktionieren Perowskit Solarmodule? Was sind die Vor- und Nachteile? Und wie ist der Stand der Forschung: Stehen die Zellen wirklich kurz vor der Markteinführung und versorgen die Häuser bald mit Solarstrom?
Thorben Frahm
Dieser Artikel wurde von
Thorben Frahm für www.Solaranlagen-Portal.com verfasst.
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Was sind Perowskit Solarmodule?

Perowskit Solarzellen im Überblick

  • Einfache Herstellung
  • Sehr leistungsfähig, leicht und dünn
  • Noch in Entwicklung und bislang nicht zum Kauf erhältlich

Inhaltsübersicht & Schnellnavigation:

An erneuerbaren Energien wird mit Hochdruck geforscht um den Ausbau voranzutreiben. Ein erfolgsversprechender Hoffnungsträger im Bereich der Photovoltaik sind Perowskit Solarzellen. Diese speziellen Zellen sind keine gänzlich neuen Solarmodule: Bereits 2009 wurde der Photoeffekt bei Verbindungen aus Halogenid-Perowskiten erstmals nachgewiesen. Doch in den letzten Jahren wurde weiter an diesem neuen Typ von Solarzellen geforscht. Mit dem Ergebnis, dass der Wirkungsgrad dieser Zellen immens verbessert und die Herstellung vereinfacht wurde. Laut Expertenmeinungen stehen Perowskit Solarzellen in den nächsten Jahren vor der Markteinführung.

Doch was genau sind Perowskit Solarzellen? Als Perowskite bezeichnet man Materialien, die eine bestimmte Kristallstruktur aufweisen – unabhängig von der Zusammensetzung ihrer einzelnen Komponenten. Bei Perowskit-Kristallen handelt es sich um ein Hybridmaterial aus organischen und anorganischen Materialien, die als sogenannte Halid-Perowskite bezeichnet werden. Diese halborganischen Halid-Perowskite reagieren, sobald Sonnenlicht auf sie trifft. Vereinfacht gesagt, wandeln Perowskit-Halbleiter Sonnenlicht in elektrischen Strom um.

Perowskit Solarzellen könnten schon bald alte Technologien wie Silizium- und andere Dünnschichtsolarzellen übertrumpfen und ablösen. Sie sind für die Gewinnung von Solarstrom vor allem deshalb so gut geeignet, weil sie

  • einen hohen Wirkungsgrad von aktuell über 25 % bieten,
  • günstig in der Herstellung sind
  • und sich gut mit anderen Materialien zu Tandemsolarzellen verbinden lassen.

Solarzellen auf Siliziumbasis erreichen einen Wirkungsgrad von 25 bis 26 Prozent (siehe auch: Polykristalline Solarmodule & Monokristalline Solarmodule). Aktuell arbeiten beide Solartypen also ähnlich effizient. Forscher gehen jedoch davon aus, dass mit Perowskit-Solarzellen in Zukunft ein Wirkungsgrad von über 30 Prozent erreicht werden kann (Quellen: Helmholtz-Zentrum Berlin und Karlsruher Institut für Technologie).

Funktionsweise von Perowskit Solarzellen

In der Regel bestehen Photovoltaikmodule immer aus drei verschiedenen Schichten, von denen eine positiv und die andere negativ geladen ist und deren mittlere als Grenzschicht fungiert. Fällt Sonnenstrahlung auf die Solarzelle, regen die Lichtteilchen (Photonen) im Sonnenlicht die Elektronen im Solarmodul an. Es entsteht Spannung (Photoeffekt). Diese Spannung kann in Solarstrom umgewandelt und genutzt werden.

Bei den Perowskitzellen ist es hingegen so, dass sie Materialien enthalten, die sowohl negative als auch positive Ladungen besitzen und somit dank ihrer besonderen Struktur unter Lichteinfluss Strom erzeugen können. Der dreilagige Aufbau wie bei den Siliziumzellen ist also theoretisch nicht mehr nötig. Trotzdem basieren die modernen Perowskit Solarzellen ebenfalls auf einem speziellen Aufbau, damit möglichst viel Sonnenlicht absorbiert und möglichst viel Sonnenenergie erzeugt werden kann.

Schematischer Aufbau der Solarzellen

Der Aufbau aus unterschiedlichen Schichten und Materialien ist auch deshalb so effizient, weil in jeder Schicht der Perowskit Solarzelle ein Schritt der Stromerzeugung erfolgt. Der Aufbau variiert je nach Komponenten, sieht aber beispielhaft wie folgt aus:

Schematischer Aufbau einer Perowskit SolarzelleGrafik: Von AA+W, AdobeStock.com

  • Erste Schicht: Obere Elektrode (Zwischen der oberen und der unteren Elektrode muss der Strom fließen.)
  • Zweite Schicht: Lochleiter (Der Lochleiter transportiert die positiv geladenen Fehlstellen (Löcher) zur darüber gelegenen Elektrode.)
  • Dritte Schicht: Perowskit als Absorber (Bei dieser Schicht handelt es sich um den „Absorber“, der die Strahlung des Sonnenlichts aufnimmt. Dabei werden positive und negative Ladungsträger erzeugt. Erste bezeichnet man als „Löcher“, bei letzteren handelt es sich um Elektronen.)
  • Vierte Schicht: Elektronenleiter (Der Elektronenleiter transportiert die Elektronen zur darunter gelegenen Elektrode.)
  • Fünfte Schicht: Untere Elektrode (Zwischen der oberen und der unteren Elektrode muss der Strom fließen.)

Bei Perowskit-Solarzellen handelt es sich um sogenannte Dünnschichtsolarzellen. Die einzelnen Solarzellen werden über eine untrennbar zusammengesetzte Serienverschaltung zu großflächigen Perowskit Solarmodulen zusammengebaut.

Gut zu wissen: Ein entscheidender Unterschied und Vorteil zu Solarzellen aus Silizium ist, dass die kristallinen Perowskite als flüssige Lösung durch Aufsprühen, Streichen oder Aufdrucken auf ein geeignetes Substrat aufgetragen werden. Das sorgt dafür, dass die Perowskit Solarmodule vergleichsweise einfach und kostengünstig hergestellt werden können.

Was sind die Vorteile und Nachteile der Perowskit Solarmodule?

Vorteile Nachteile
✔️Wirkungsgrad ❌Noch instabil
✔️Leistungsfähigkeit ❌Feuchtigkeitsempfindlich
✔️Einfache Herstellung ❌Noch hoher Bleianteil
✔️Für Tandem-Solarzellen geeignet
✔️Dünn und leicht
  • Hoher Wirkungsgrad: Perowskit-Zellen verfügen über einen hohen Wirkungsgrad, der in den letzten Jahren durch die fortschreitende Technologie immer weiter verbessert wurde.
  • Leistungsfähigkeit: Untersuchungen zeigen, dass die Perowskit Solarzellen besonders effizient Licht absorbieren und den gewonnenen Strom gut ableiten.
  • Einfache Herstellung: Da der kristalline Dünnschichtfilm als flüssige Lösung (bei geringer Temperatur und ohne Vakuumbedingungen) aufgestrichen oder aufgesprüht werden kann, ist die Herstellung einfach und vergleichsweise preiswert.
  • Tandem-Möglichkeiten: Perowskit Solarzellen eignen sich für Tandem-Solarzellen. So lässt sich das Spektrum des Sonnenlichts noch effizienter nutzen und der Wirkungsgrad weiter steigern.
  • Dünner Aufbau: Perowskit Solarzellen sind im Aufbau deutlich dünner als Silizium-Solarzellen.

Dass die Perowskit Solarzellen trotz der Vorteile noch nicht am Markt sind, hat verschiedene Ursachen. Kurz gesagt, ist der Stand der Forschung noch nicht so weit, dass die modernen Solarzellen serienmäßig hergestellt werden könnten. Das hat mit einigen entscheidenden Problemen und negativen Eigenschaften der Perowskit-Kristalle zu tun. Diese gilt es vor der Markteinführung zu lösen:

  • Mangelnde Stabilität: Aufgrund der kristallinen, ungeordneten Struktur sind Perowskite nicht besonders stabil.
  • Wasserlöslichkeit: Perowskite sind wasserlöslich und somit feuchtigkeitsempfindlich. Aus diesem Grund müssen die Perowskite in stabile Materialien eingekapselt werden.
  • Bleianteile: Die meisten Perowskit Solarzellen beinhalten Blei, um die nötige Stabilität und Struktur und somit eine hohe Effizienz zu erreichen. Damit sind sie jedoch nicht nachhaltig. Hier ist es notwendig, nach einer weniger toxischen Alternative zu forschen.

Gibt es diese Solarmodule schon auf dem Markt?

Perowskit Solarzellen kaufen ist zum jetzigen Zeitpunkt am Markt noch nicht möglich. Die Solarzellen sind noch nicht marktreif und werden somit noch nicht serienmäßig hergestellt. Die größte Hürde besteht darin, vom bislang erfolgsversprechenden Labormaßstab auf großflächige Perowskit Solarmodule für die industrielle Massenproduktion hochzuskalieren. Bis dies gelingt, laufen Forschung und Entwicklung weiter an. Viele Experten sind sich sicher, dass bereits in naher Zukunft mit einer Markteinführung zu rechnen ist. Einen Preis für Perowskit Solarmodule können wir deswegen noch nicht nennen.

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