Was sind Perowskit-Solarzellen? Eine Einführung in die Solartechnologie der nächsten Generation

Die Solartechnologie entwickelt sich rasant, und ein Material erregt besondere Aufmerksamkeit: Perowskit. 

Perowskit-Solarzellen sind auf dem Vormarsch, insbesondere in ihrer Tandemanwendung zusammen mit Silizium (Si)-Solarzellen, wodurch höhere Wirkungsgrade als bei herkömmlichen Typen erzielt werden. Die Begeisterung rührt von ihrem hohen Wirkungsgrad, ihrer leichten Bauweise und ihren einfachen Herstellungsmerkmalen her. Dieser Blog erklärt, was Perowskit-Solarzellen sind und warum sie zu einem wichtigen Schwerpunkt in der Forschung für saubere Energie geworden sind. 

Was ist ein Perowskit? 

Es ist nicht das erste Mal, dass Perowskite so viel Aufmerksamkeit erhalten. Tatsächlich geht es auf das Jahr 1839 zurück, als das geheimnisvolle Mineral im Uralgebirge gefunden und nach dem russischen Mineralogen Lew A. Perowski benannt wurde. Der erste entdeckte Perowskit war Calciumtitanat, aber Wissenschaftler entdeckten später, dass viele Materialien die ‘Perowskit‘-Struktur bilden können, die auf atomarer Ebene einem Würfel ähnelt. 

Eines der aufregendsten Merkmale von Perowskiten ist, dass ihre Struktur in hohem Maße modifizierbar ist. Die Struktur folgt der allgemeinen Formel ABX₃, wobei 'A' und 'B' Kationen unterschiedlicher Größe sind und 'X' ein Anion ist, das sich mit beiden verbindet. Durch die Veränderung der A-, B- oder X-Komponenten können Wissenschaftler wichtige Eigenschaften wie Bandlücke, Kristallstabilität und Lichtabsorptionsverhalten feinabstimmen, was sie ideal für verschiedene optoelektronische Anwendungen macht. Über Solarzellen hinaus führt diese Modifizierbarkeit zu einer Vielzahl anderer interessanter Verhaltensweisen: dielektrische Eigenschaften, elektrische Leitfähigkeit, optische Eigenschaften, katalytische Aktivität, Wärmeleitfähigkeit und sogar Magnetismus. Diese Vielfalt macht Perowskite nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht faszinierend, sondern auch vielversprechend für viele Arten fortschrittlicher Technologien. 

Was macht Perowskit-Solarzellen so besonders? 

Perowskit-Solarzellen zeichnen sich durch ihre bemerkenswerte Leistung und Vielseitigkeit aus. Sie haben einen sehr schnellen Anstieg des Wirkungsgrades gezeigt, der innerhalb von nur einem Jahrzehnt von 2 % auf über 20 % gestiegen ist, und stellen damit eine Herausforderung für kommerzielle Silizium-Solarzellen dar. Ihre Zusammensetzung und Struktur können so angepasst werden, dass sie verschiedene Teile des Sonnenspektrums absorbieren, was die Tür zu Multijunction- oder Tandem-Solarzellen öffnet, d. h. zu Bauelementen, die mehrere Absorberschichten kombinieren, um mehr Sonnenlicht einzufangen. In diesen Tandem-Anordnungen werden Perowskite aufgrund ihrer einstellbaren Bandlücke häufig als oberste Schicht verwendet, was eine verbesserte Effizienz ermöglicht, die über das hinausgeht, was Einzelzellen-Solarzellen erreichen können. Diese Anpassungsfähigkeit macht Perowskite zu einem vielversprechenden Material für Solartechnologien der nächsten Generation, das in Labortests bereits einen Meilenstein von 30 % Effizienz erreicht hat. 

Wie funktionieren Perowskit-Solarzellen? 

Perowskit-Solarzellen folgen dem allgemeinen Funktionsprinzip von Solarzellen wie Lichtabsorption, Ladungstrennung, Ladungstransport und Ladungssammlung. Wenn die Photonen des Sonnenlichts auf die Perowskitschicht treffen, erzeugen sie angeregte Ladungsträger, bei denen es sich um Elektronen und Löcher handelt. Diese Ladungsträger werden durch spezielle Transportschichten getrennt und geleitet. Während sich Elektronen in Richtung der Elektronentransportschicht (ETL) bewegen, bewegen sich Löcher in Richtung der Lochtransportschicht (HTL). Durch diese Transportschichten erreichen die Ladungsträger die jeweiligen positiven und negativen Elektroden und wandern durch einen externen Stromkreis, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. 

Eine typische Perowskit-Solarzelle besteht aus mehreren gestapelten Schichten: 

• Ein transparentes, leitfähiges Substrat (wie mit Indiumzinnoxid beschichtetes Glas oder Plastik)

• Eine Elektronentransportschicht 

• Die lichtabsorbierende Perowskitschicht 

• Eine Lochtransportschicht 

• Eine Metallelektrode, oft Gold oder Silber 

Abhängig vom Gerätedesign kann die Perowskit-Absorberschicht in zwei Hauptstrukturen aufgebracht werden: planar oder mesoporös. 

In planaren Strukturen wird das Perowskit als flache, glatte Schicht aufgetragen. Dieser Typ ist einfacher herzustellen und wird oft in Geräten im Labormaßstab mit hoher Effizienz verwendet. In mesoporösen Strukturen wird zunächst ein schwammartiges Gerüst, meist aus Titandioxid (TiO₂), aufgebracht. Das Perowskit wird dann in dieses Gerüst gefüllt. Dieses Design verbessert den Kontakt zwischen den Schichten und unterstützt eine bessere Ladungstrennung und einen besseren Ladungstransport. Beide Strukturen sind lösungsverarbeitbar, d. h. sie können mit Hilfe von Spin-Coating- oder Drucktechniken hergestellt werden. Die Wahl zwischen ihnen hängt von der gewünschten Leistung, Stabilität und Herstellungsmethode ab. 

Was ist Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung, und warum revolutioniert sie die Art und Weise, wie wir Solarzellen herstellen?

Wie werden Perowskit-Solarzellen hergestellt? 

Einer der Hauptvorteile von Perowskiten ist, dass sie lösungsverarbeitbar sind, d. h. sie können in einer Flüssigkeit gelöst und mit einfachen Methoden auf Oberflächen aufgebracht werden. Im Gegensatz zu Silizium, das bei hohen Temperaturen geschmolzen und in feste Kristalle geschnitten werden muss, können Perowskitschichten bei niedrigen Temperaturen auf flexible Substrate gedruckt oder beschichtet werden. 

Methoden im Labormaßstab verwenden oft Spin-Coating, bei dem eine Lösung gleichmäßig auf der Oberfläche eines Substrats verteilt wird, indem es mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Andere skalierbare Methoden umfassen Schlitzdüsenbeschichtung, Tintenstrahldruck und Sprühbeschichtung, die alle mit der Rolle-zu-Rolle-Fertigung kompatibel sind. Dies eröffnet spannende Möglichkeiten für die High-Throughput-Produktion von flexiblen Solarmodulen. 

Die Einfachheit dieser Herstellungsverfahren ist einer der Gründe, warum Perowskit-Solarzellen für tragbare Elektronik, gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) und Indoor-Energiegewinnung erforscht werden.  

Die Skalierung von Perowskit-Solarzellen von Geräten im Labormaßstab auf industriell relevante Größen bringt mehrere Herausforderungen mit sich, insbesondere in Bezug auf Effizienz und Stabilität. Perowskit-Solarzellen im Labormaßstab wurden ausgiebig untersucht, wobei Rekordwirkungsgrade typischerweise in Geräten mit aktiven Flächen unter 1 cm² unter kontrollierten Laborbedingungen erzielt werden. Die Übertragung dieser Ergebnisse auf größere Flächen ist jedoch weitaus komplexer. Das Erreichen von glatten und gleichmäßigen Dünnschichten wird schwieriger, und größere aktive Flächen neigen dazu, mehr Widerstand und Defekte aufzuweisen, was den Ladungstransport einschränken und die Effizienz verringern kann.

Insgesamt leidet die Stabilität beim Upscaling viel stärker als die Effizienz. Geräte mit größeren Flächen neigen dazu, um ein Vielfaches schneller abzubauen als Geräte mit kleinen Flächen, selbst unter identischen Bedingungen. Auf dem Weg zur Kommerzialisierung müssen Module eine optimale Leistung unter langfristigen Außenbedingungen nachweisen, einschließlich der Einwirkung von Hitze und Feuchtigkeit. Eine weitere wichtige Diskussion im Zusammenhang mit der Skalierung ist die Verwendung von Bleisalzen, die Umwelt- und Gesundheitsbedenken aufwirft. Obwohl die in Perowskit-Solarzellen verwendete Bleimenge sehr gering ist im Vergleich zu der, die in Blei-Säure-Batterien oder sogar in einigen Silizium-Solarzellen verwendet wird, liegt das Blei in Perowskit-Solarzellen in einer wasserlöslichen Form vor, was es zu einer potenziellen Umweltgefahr macht.

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Fazit 

Perowskit-Solarzellen stellen eine neue Ära in der Solarenergietechnologie dar. Mit ihrer einstellbaren Struktur, ihrem beeindruckenden Wirkungsgrad und ihrem Potenzial für eine druckbare Produktion bieten sie spannende Alternativen zu herkömmlichen Siliziummodulen. Ihre Vielseitigkeit ermöglicht auch Tandemzellendesigns, die die Solarleistung noch weiter steigern. Obwohl Perowskite noch vor Herausforderungen stehen, wie z. B. die Verbesserung ihrer Langzeitstabilität und die Skalierung der Herstellung, sind die bisherigen Fortschritte bemerkenswert. Die Industrialisierung in der Frühphase ist bereits im Gange, während die akademische Forschung weiterhin floriert. Als aufstrebende Technologie werden Perowskit-Solarzellen im kommenden Jahrzehnt eine glänzende Rolle spielen. 

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Über den Autor

Ümran Işıl Biçer ist Marie-Curie-Doktorandin bei infinityPV und trägt zum Marie Skłodowska-Curie EIFFEL-Projekt bei. Sie erhielt ihren Bachelor-Abschluss von der Middle East Technical University in der Türkei und schloss ihren Master im Rahmen des Erasmus Mundus MaMaSELF-Programms ab, wo sie an der Ludwig-Maximilian-Universität München und der Universität Montpellier studierte und ihre Arbeit an der Universität Helsinki durchführte. Sie promoviert in der Entwicklung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren für organische Solarzellen, wobei sie sich auf skalierbare Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren zur Verbesserung der Solarzelleneffizienz und -stabilität konzentriert.

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