11.08.22 „Der perfekte Tandempartner“ Interview mit Prof. Ulrich Paetzold, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Lesedauer: 5 min.

Scroll to Read
Zusammenfassung

Juniorprofessor Ulrich Paetzold forscht am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) an neuartigen Solarzellen auf Basis von Silizium und Perowskit-Halbleitern. Im Interview erklärt er den neuen Ansatz und berichtet über mögliche künftige Wirkungsgrade.

Herr Professor Paetzold, woran genau forschen Sie?

Wir arbeiten an Perowskit-basierten Tandem-Solarzellen. Die Terminologie „Perowskit“ bezeichnet eine seit dem 19. Jahrhundert bekannte Kristallstruktur. Vor einigen Jahren wurde eine neue Unterkategorie der Perowskite entdeckt, die die Eigenschaften eines Halbleiters besitzt. Diese Perowskit-Halbleiter haben fantastische optoelektronische Eigenschaften, und wir wollen sie für die Photovoltaik nutzen. Einfach gesprochen: Wir bringen eine dünne Schicht dieser Perowskit-Halbleiter auf herkömmliche Solarzellen aus Silizium auf und können so den Wirkungsgrad um über 25 Prozent relativ steigern.

Woher kommt dieser verbesserte Wirkungsgrad?

Das Silizium herkömmlicher Solarmodule kann nur einen Teil der Energie des Sonnenlichts besonders effizient nutzen. Die Perowskit-Halbleiter lassen sich in ihren optischen Eigenschaften so maßschneidern, dass sie den hochenergetischen Anteil des Sonnenlichtes viel besser ausnutzen als die Silizium-Solarzellen. Somit entsteht die fantastische Chance, für die bestehenden Silizium-Solarmodule den perfekten Tandempartner aus der Perowskit-Klasse zu kreieren. Man kann aber auch Perowskit-Halbleiter mit anderen Photovoltaik-Materialien kombinieren oder sogar zwei verschiedene Perowskit-Halbleiter vereinen, um die Sonnenenergie optimal zu nutzen. Ein erstes solches Modul haben wir gerade in einer Veröffentlichung vorgestellt.

Wie sieht die Arbeitsteilung zwischen Perowskiten und Silizium in einem Tandem-Modul aus?

Der Perowskit-Halbleiter absorbiert das Sonnenlicht mit hoher Energie und geringeren Wellenlängen, während das Licht geringerer Energie und größerer Wellenlänge in die darunter liegende Silizium-Solarzelle transmittiert wird. Im Projekt „27plus6“ arbeiten wir gemeinsam mit dem Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) und der centrotherm international AG daran, auf diese Weise einen Gesamtwirkungsgrad von 33 Prozent zu erreichen – 27 Prozent in der Siliziumschicht und sechs Prozent mithilfe der Perowskite.

Wie genau sind diese Solarmodule aufgebaut?

Besonders aussichtsreich ist die sogenannte „monolithische Verschaltung“, bei der die Perowskit-Schicht direkt auf das Silizium-Modul aufgebracht wird. Die Perowskit-Halbleiter lassen sich aus der Flüssigphase als dünne Filme auf das Silizium aufbringen, zum Beispiel mit einem Tintenstrahldrucker oder im Schlitzgussverfahren, aber auch in der Koverdampfung. Das sind alles relativ einfache Verfahren, auch wenn die technischen Details natürlich recht anspruchsvoll sein können.

Das klingt so, als ließen sich diese Tandem-Solarzellen relativ einfach vom Labor in die Serienfertigung überführen …

Das Substrat für die Tandem-Solarzellen sind tatsächlich klassische Silizium-Solarzellen. Im zweiten Schritt muss man dann die Perowskit-Top-Solarzelle mit der Perowskit-Halbleiterschicht und weitere funktionale Schichten aufbringen, was die die Komplexität des Bauelements natürlich erhöht. Es gibt aber bereits erste Pilotlinien bei unseren Industriepartnern; und wir arbeiten mit deutschen Maschinenbauern und Technologieformen daran, effiziente Herstellungsprozesse für großflächige Module mit hohen Durchsatzraten zu entwickeln.

Gibt es weitere Herausforderungen?

Wir müssen die Stabilität der Perowskite weiter verbessern. Ich bin aber optimistisch, dass uns dies gelingen wird – schließlich war die Stabilität der Perowskite vor einigen Jahren noch deutlich geringer als heute: Damals ging es um Stunden, heute bereits um Tausende Stunden. Aber das sind natürlich noch keine 30 Jahre wie bei den Silizium-Solarzellen. Darum warten in den nächsten Jahren noch einige technologische und materialwissenschaftliche Herausforderungen auf uns. Eine nachhaltige Unterstützung der Forschung und Entwicklung bleibt wichtig für einen schnellen Transfer der Technologie!

Lohnt es sich also nicht, auf die neuen Tandem-Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad zu warten?

Es wird sicher noch einige Jahre dauern, bis unsere neue Technologie auf dem breiten Markt verfügbar sein wird – auch wenn wir in den letzten zwei Jahren ein extrem gesteigertes Interesse der Industrie entlang der gesamten Wertschöpfungskette verzeichnen können. Darum: Wer die Möglichkeit hat, sollte sich lieber morgen als übermorgen eine Photovoltaik-Anlage aufs Dach bauen!

Im Moment ist die Versorgungssicherheit mit Energie und Rohstoffen ja ein großes Thema. Wie sieht es bei den Perowskit-Halbleitern aus: Woraus werden sie hergestellt, und wie verfügbar sind die Rohstoffe?

Perowskit-Halbleiter basieren auf einem organischen Kation, dem Kation Blei und Halogeniden. Die Verfügbarkeit der Rohstoffe ist grundsätzlich gegeben. Problematisch ist – je nach Einsatzgebiet – der Einsatz von Blei, welcher Recyclingkonzepte für die Solarmodule erfordert. Allerdings handelt es sich hier um sehr geringe Mengen, da wir nur extrem dünne Perowskit-Schichten auf die Tandem-Solarzellen aufbringen.

Bitte zum Schluss ein kurzer Ausblick: Welche Wirkungsgrade sind auf lange Sicht bei kommerziell erhältlichen Solarmodulen zu erwarten?

Das theoretische Limit für Silizium liegt bei circa 29 Prozent. Bei kommerziellen Silizium-Modulen sehe ich eine Grenze bei etwa 25 bis 26 Prozent. Tandem-Module aus Silizium und Perowskit-Halbleitern können theoretisch Wirkungsgrade von mehr als 40 Prozent erreichen. Ich bin überzeugt, dass wir bald erste Wirkungsgrade oberhalb von 33 Prozent sehen werden. Kommerziell sollten wir mittelfristig bei circa 30 Prozent liegen. Nicht morgen, aber auch nicht erst in zehn Jahren!

Haftungsausschluss

Die Inhalte dieser Website werden mit größtmöglicher Sorgfalt erstellt. Uniper SE übernimmt jedoch keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit und Aktualität der bereitgestellten Inhalte. Namentlich gekennzeichnete Beiträge geben die Meinung des jeweiligen Autors und nicht immer die Meinung von Uniper SE wieder.