Solarzellen aus Perowskiten auf dem Weg zur Massenfertigung

Vor vier Jahren erschien die erste wissenschaftliche Studie über die photoelektrischen Eigenschaften von Perowskiten. Die Firma Oxford Photovoltaics beginnt nun, einen Industrieprozess zu Fertigung von Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskiten zu erproben. Angestrebt wird ein Wirkungsgrad von erst einmal 28 Prozent. In den nächsten zwei Jahren würden die neuen Zellen wohl aber noch nicht in Solarmodulen verwendet.

Henry Snaith ist der Entdecker der Perowskit-Solarzelle und Gründer von Oxford Photovoltaics. Die Firma will die Technologie nun in die Industrie überführen. Foto: Oxford Photovoltaics Ltd

Henry Snaith ist der Entdecker der Perowskit-Solarzelle und Gründer von Oxford Photovoltaics. Die Firma will die Technologie nun in die Industrie überführen. Foto: Oxford Photovoltaics Ltd

Kaum ein Thema hat die Forscher in der Photovoltaik in den vergangenen Jahren so beschäftigt wie Perowskite. Erst 2012 publizierte der britische Wissenschaftler Henry Snaith die Entdeckung der photoelektrischen Eigenschaften der Materialien. Innerhalb von fünf Jahren vermeldeten Forscher kontinuierlich steigende Wirkungsgrade – von wenigen Prozentpunkten auf mehr als 20 Prozent. Perowskite können aus verschiedenen Materialien bestehen. Die Gruppe der Verbindungen eint aber eine bestimmte Kristallstruktur. Die Materialien kommen häufig auf der Erde vor und sind günstig zu gewinnen. Ein Vorteil liegt zudem darin, dass Perowskite eine große Bandlücke aufweisen. Von seinen physikalischen Eigenschaften ergänzt sich eine Perowskit-Solarzelle gut mit einer zweiten Solarzelle – den Fabrikaten aus Silizium.

Die Siliziumtechnologie hat sich weltweit gegenüber anderen Solarzelltechnologien durchgesetzt. Mehr als 90 Prozent aller Solarzellen und Solarmodule bestehen heute aus Silizium. Deren Wirkungsgrad ist jedoch theoretisch begrenzt auf 29,4 Prozent. Die besten Solarzellen sind heute in der Lage, 24 Prozent der Energie des Sonnenlichts zur Stromproduktion zu nutzen. Weit ist es also nicht mehr, bis das Ende der Effizienzverbesserung erreicht ist – zumindest, wenn Module aus Zellen mit einer photoaktiven Schicht gebaut werden. Von der Siliziumtechnologie verabschieden will sich weder die Industrie noch die Wissenschaft. Abermillionen Euro, Dollar und Yuan wurden in Produktionsanlagen investiert, die auch weiter genutzt werden sollen. Die Siliziumtechnologie gilt als erprobt und sicher. Die ältesten Module zählen 30 Jahre und mehr und funktionieren noch.

Oxford PV hat Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen erreicht

Um aber den Wirkungsgrad weiter zu steigern, arbeiten Wissenschaftler schon länger daran, Tandemsolarzellen zu schaffen, die sich auch kostengünstig in der Masse fertigen lassen. Seit mehreren Jahren ruht bereits auf Perowskiten die Hoffnung, ein Tandem mit Silizium zu bilden. Die Wirkungsgrade der neuen Zellen sind nun hoch genug, dass sie als Tandempartner in Frage kommen. Das Hemmnis war bislang allerdings, dass dieser Wirkungsgrad nicht stabil blieb. Bei Feuchtigkeit und bei höheren Temperaturen brach er ein. Hitze sind Solarzellen aber in der heute gängigen Fertigung ausgesetzt. Feuchte Prozesse lassen sich immerhin umgehen.

Die Firma Oxford Photovoltaics Ltd hat gerade verkündet, die Schwachpunkte gelöst zu haben. „Wir haben eine Temperaturstabilität über 200 Grad Celsius“, sagte Geschäftsführer Frank Averdung am vergangenen Freitag auf einer Pressekonferenz im Rahmen des Forums Neue Energiewelt. Die Feuchtigkeit sei bei der Herstellung eliminiert worden. „Wir können Standardfertigungsprozesse einsetzen. Die klassischen Stresstests haben die Zellen bestanden“, fügte Averdung hinzu. Oxford PV wurde 2010 von Henry Snaith aus der Universität Oxford ausgegründet. Die Firma verfügt über die Rechte zur Nutzung aller von Snaith angemeldeten Patente zur Produktion von Perowskit-Solarzellen.

In Brandenburg soll industrietauglicher Prozess erprobt werden

Das Unternehmen will die Perowskit-Solartechnologie nun in die Massenfertigung überführen. Dazu wurde vorige Woche die Fabrik der Bosch Solar CISTech GmbH in Brandenburg an der Havel gekauft. Dort will die Firma erste Perowskit-Solarzellen auf Siliziumzellen in Standardgröße aufbringen. Silizium absorbiert stark rotes Licht. Die Perowskit-Solarzellen von Oxford PV sind so konstruiert, dass sie eher blaues Licht zur Stromerzeugung verwenden.

Im Labor hat die Firma bislang Zellen mit neun Quadratzentimetern Größe und bis zu 24 Prozent Wirkungsgrad gefertigt. Um 30 Prozent sind die Zellen noch nach oben zu skalieren. „Für einen Ingenieur ist das eine machbare Geschichte“, sagte Averdung, „wir werden natürlich durch eine Lernphase gehen. Wir werden Prozess- und Equipmentadaptionen machen müssen.“ Oxford PV hat einen Teil der noch in der Fabrik vorhandenen Maschinen gekauft und will sie nutzen. Die ersten vier Mitarbeiter sind eingestellt. Im kommenden Jahr soll es 25 Mitarbeiter in Brandenburg geben.

Im Tandem mit Silizium wird ein Zellwirkungsgrad von 28 Prozent angestrebt

Die Firma rechnet zunächst mit einem Wirkungsgrad von 17 Prozent für die ersten industriell produzierten Perowskit-Solarzellen. Kombiniert mit einer hocheffizienten Siliziumzelle mit einem Wirkungsgrad von 22 Prozent ließe sich eine Tandemzelle mit 28 Prozent Effizienz erreichen. Auf den Markt will Oxford PV diese Tandemzellen aber nicht selbst bringen, sondern Zell- und Modulherstellern überlassen. „Wir bieten den Herstellern die Möglichkeit, ihre Anlagen zu ergänzen – wie ein Upgrade. Unsere Technologie kann mit jeder existierenden Silizium-Technologie zusammenarbeiten“, sagte Averdung.

Vor Ende 2018 würden entsprechende Tandemzellen wohl noch nicht im Markt zu sehen seien, fügte er hinzu. Bislang gibt es ein Unternehmen, das die Technologie erwerben möchte. Weitere Firmen haben ihr Interesse signalisiert. Die potenziellen Partner sitzen alle in Asien. „Die Asiaten haben erkannt, dass es sich um Zukunftstechnologie handelt“, sagte Averdung weiter. Die Produktionskosten für Solarmodule werde sich durch Perowskite nicht verringern, sondern auf dem Niveau für einfache Siliziummodule bleiben. Aber je effizienter Solarmodule sind, desto geringer fallen die Kosten bei der Installation einer Photovoltaikanlage pro Kilowatt Leistung aus.

    Autor: Ines Rutschmann » 14.11.2016, 14:48
    Veröffentlicht in: Forschung


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