Wer „Photovoltaik“ hört, denkt vermutlich oft an die bläulich oder silbern schimmernden Siliziummodule auf den Hausdächern. Doch als kommender Star der Photovoltaik-Szene gilt derzeit die Perowskit-Solarzelle. Was aber macht dieses kristalline Material so besonders? Könnte sich Perowskit gegen Silizium durchsetzen? Und was steht dem Boom der preiswerten Dünnschichtzelle noch im Weg?
Im Rennen der Photovoltaik um den höchsten Wirkungsgrad liegen sogenannte Tandem-Solarzellen zurzeit an der Spitze. Auch Tandemzellen aus Silizium und Perowskiten beeindrucken regelmäßig mit ihrer hohen Leistung. In den letzten Jahren erreichen Forschende regelmäßig neue Rekord-Wirkungsgrade – mittlerweile können sie ganze 33,9 Prozent der einfallenden Sonnenenergie in Strom umsetzen. Werden die Solarzellen irgendwann das Rennen anführen?
Die Entwicklung der Perowskit-Verbindungen
Vom Mineral zur Star-Solarzelle
Im Jahr 1839 reiste der deutsche Mineraloge Gustav Rose durch Russland. Bei einer Expedition im Ural-Gebirge nahm der Wissenschaftler Gesteinsproben. Hier soll er das Material entdeckt haben, dessen Abkömmlinge heute die Solartechnologie revolutionieren sollen.
Bei Roses mineralischer Entdeckung handelte es sich um Calciumtitanat (CaTiO3), eine kristalline Verbindung mit charakteristisch würfelförmiger Kristallstruktur. Benannt wurde dieses Material nach dem russischen Politiker und Mineralogen Graf Lew Alexejwitsch Perowski – Perowskit.
Mit der Zeit entdeckten Forscher immer mehr Minerale mit einer ähnlichen Kristallstruktur. Doch statt sich immer wieder einen neuen Namen für diese Materialien mit der Summenformel XYO3 aus dem Ärmel zu schütteln, etablierte es sich, alle Mineralien mit der entsprechenden Kristallstruktur Perowskite zu nennen. Wenn wir heute von Perowskit sprechen, beschreiben wir damit eigentlich eine Materialklasse, die dieselbe spezifische Kristallstruktur besitzt wie das ursprüngliche Mineral CaTiO3.
Halogenide statt Oxide
Relativ schnell erwiesen sich die Perowskite als nützlich für verschiedene Technologien, etwa in Kondensatoren, bei der Herstellung von Farbpigmenten oder Photokatalysatoren. In den späten 1970er Jahren publizierten deutsche Wissenschaftler dann erste Arbeiten über sogenannte Metall-Halogenid-Perowskite. Der Unterschied zu den bisher bekannten Mineralvarianten: Statt einer Oxid-Gruppe enthält dieses Perowskit ein Halogenid – das Anion eines Elements aus der Halogengruppe wie Iod, Brom oder Chlor. Die beiden anderen Plätze in diesen ABX3-Molekülen nehmen Metalle und metallhaltige organische Moleküle ein.
Die Entdeckung der Metall-Halogenid-Perowskite ermöglichte neue technische Entwicklungen. Denn im Gegensatz zu Oxid-Perowskiten, die größtenteils Isolatoren sind, ist die Halid-Variante ein guter Halbleiter. Schon in den 1990er Jahren entwickelten Wissenschaftler in New York die ersten aus organisch-anorganischen Halid-Perowskiten basierenden Photo-Transistoren. Im Jahr 2009 konstruierte eine Forschungsgruppe um Tsutomu Miyasaka von der Universität Tokio die erste Perowskit-Solarzelle.
Rasante Steigerung
Während die ersten Perowskit-Solarzellen noch gerade mal 3,8 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in Strom umwandeln konnten, entwickelten sie sich schnell weiter. Heute, nur 15 Jahre später, erreichen sie bereits Laborwirkungsgrade von bis zu 26,7 Prozent. Damit haben sie bereits die polykristallinen Siliziumzellen überholt, welche derzeit den Solarmarkt dominieren. Diese erreichen derzeit „nur“ 23,3 Prozent.
Während der Wirkungsgrad von Silizium-Solarmodulen sich nur langsam weiterentwickelt oder sogar stagniert, hat sich derjenige der Perowskite seit 2009 mehr als versiebenfacht. „Bedingt durch die rasante Steigerung der Effizienz und der Einfachheit der Herstellung von Perowskit-Solarzellen wird erwartet, dass diese einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende leisten werden“, kommentiert Yana Vaynzof vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung.
In den letzten Jahren werden Perowskite vermehrt in sogenanntenTandem-Solarzellen verbaut. Dabei stapelt man – vereinfacht gesagt – verschiedene Solarzellentypen übereinander, um so höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Die Idee: Das für die Solarzelle verwendete Material bestimmt, welchen Teil des Lichts das jeweilige Material effizient absorbieren und in Strom umwandeln kann. Beim Bau von Tandem-Solarzellen kombiniert man daher verschiedene Materialien, die jeweils unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichts nutzen, um so die Photovoltaik noch effizienter zu machen.
Die erste Perowskit-Silizium-Zelle erreichte auf diese Weise direkt einen Wirkungsgrad von 14,3 Prozent. Doch auch die Tandem-Zellen haben sich seit ihrer Erfindung rasant weiterentwickelt – besonders in den letzten Jahren gab es eine kontinuierliche Steigerung der Wirkungsgrade. Im Dezember 2022 lag der Weltrekord mit 32,5 Prozent bei einer Tandem-Solarzelle des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB). Mittlerweile kann der chinesische Solarhersteller Longi eine Perowskit-Silizium-Tandemzelle mit sogar 33,9 Prozent bauen.
Mittlerweile werden die ersten Perowskit-Silizium-Solarzellen schon industriell gefertigt. Das Unternehmen Oxford PV fertigt solche Pjotovoltaik-Zellen mit einem Wirkungsgrad von 26,8 Proz
ent in seiner Fabrik in Brandenburg. Im Jahr 2024 soll die kommerzielle Produktion der Tandem-Solarzellen beginnen. „Dieser neue Weltrekord beweist, dass unsere Tandem-Solarzellen eine rekordverdächtige Leistung erbringen können, wenn sie zu Solarmodulen montiert werden“, sagt David Ward von Oxford PV.
„Damit ist d(ie Tandem-Solarzelle) effizienter als jedes Silizium-PV-Modul im industriellen Format, das je gebaut wurde“, sagt Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik am Fraunhofer ISE. „Das für seine Herstellung massenfertigungskompatible Technologien eingesetzt wurden, belegt das enorme Potenzial der Tandem-Technologie für die PV-Industrie.“ Einige Wissenschaftler sehen in den Perowskiten sogar die Nachfolgetechnologie von Silizium. Doch welche Eigenschaft machen Perowskite derartig leistungsstark?
Die Vorteile der speziellen Perowskit-Struktur
Die bestimmbare Bandlücke
Das Entscheidende ist die Struktur: Bei den Perowskiten handelt es sich nicht um ein spezifisches Material, sondern um eine Klasse von Verbindungen, die alle eine ähnliche Kristallstruktur besitzen. Und genau diese Kristallstruktur ist auch der „Trick“, der den Metall-Halogenid-Perowskiten ihre speziellen Eigenschaften verleiht.
Diese Perowskite haben eine sogenannte ABX3-Kristallstruktur: Sie bestehen in der Regel aus drei Arten von Atomen beziehungsweise Molekülen, die mit A, B und X bezeichnet werden. Diese bilden gemeinsam eine sogenannte Oktaederstruktur – eine sechseckige Struktur, die in allen Richtungen an ihren Ecken mit weiteren Oktaedern verbunden ist. In der Mitte dieser Grundeinheit sitzt B, häufig ein zweiwertiges Metall wie Blei, die Ecken werden von X gebildet, den Anionen von Halogenen wie Iod. Die A-Kationen befinden sich in den Zwischenräumen der Struktur.
Das Besondere daran: Während viele Materialien beim Austausch eines Ions oder eines Elements ihre Kristallstruktur verändern und somit ihre Eigenschaften verändern, bleibt die Struktur der Perowskite stabil. Das gilt selbst dann, wenn das ausgewechselte Ion stark abweichende Merkmale aufweist, also etwa wesentlich größer oder wesentlich kleiner ist als sein Vorgänger. In der Struktur verändern sich dadurch nur die Seitenlängen der Oktaeder. Die Struktur verformt sich zwar, aber sie bleibt doch bestehen.
Die Eigenschaften der Perowskite lassen sich „tunen“
Aus diesem Grund können Forschende im Labor gewünschte Eigenschaften der Perowskite, wie etwa deren Farbe oder Leitfähigkeit, ändern, ohne dass die Kristallstruktur eine völlig andere wird. Diese Anpassungen bewerkstelligen Chemiker, indem sie gezielt bestimmte Komponenten des Moleküls austauschen. Der Vorgang ist denkbar einfach: Man mischt die Ausgangsstoffe für den gewünschten Perowskit-Mix, also beispielsweise ein metallhaltiges organisches Molekül wie Methylammonium und etwa Bleijodid mit einem Lösungsmittel, schüttelt die Mischung und erzeugt so die Ausgangslösung, die später auf die Substrate aufgetragen wird.
Indem man die Ausgangsstoffe für die Perowskitlösung gezielt auswählt, kann man die Eigenschaften der resultierenden Solarzelle anpassen. Damit die Chemiker dabei nicht mühselig jede mögliche Kombination an Metallen, Halogeniden und Kationen durchprobieren müssen, existieren mittlerweile Machine-Learning-Algorithmen. Diese entsprechend trainierten KI-Systeme schätzen ab, welche Materialzusammensetzung eine gewünschte Eigenschaft hervorbringt.
Einstellbare Bandlücke
Besonders praktisch für die Solarforschung: Indem bestimmte Komponenten in die ABX3-Struktur gemischt werden, lässt sich zudem die Bandlücke des Perowskits präzise einstellen. Als Bandlücke bezeichnet man die Energie, die einem Halbleiter zugeführt werden muss, damit die zuvor an ihre Atome gebundenen Elektronen in den angeregten Zustand gelangen und mobil werden – erst dann können sie frei fließen und elektrischen Strom generieren. Bei den Materialien der Solarzellen stammt die Energie für diese Überwindung der Bandlücke aus dem Sonnenlicht.
Je nach Material können die PV-Materialien dafür verschiedene Wellenbereiche des Lichts nutzen. Um Tandem-Solarzellen besonders effizient zu machen, sollten sich daher beide Komponenten in ihrem Absorptionsspektrum möglichst ergänzen. An diesem Punkt kommen die maßgeschneiderten Perowskit-Halbleiter ins Spiel. Sie nehmen genau den Wellenlängenbereich der Sonne auf, den der Tandem-Partner nicht absorbieren kann. Beispielsweise kann kristallines Silizium vor allem rotes und infrarotes Licht effizient in Strom umwandeln – für Silizium-Perowskit-Solarzellen werden deshalb Perowskit-Ausgangslösungen zusammengemischt, die primär die restlichen Anteile des Sonnenlichts nutzen.
„Mithilfe der Perowskit-Halbleiter kann die Effizienz von konventionellen Silizium-Solarzellen deutlich erhöht werden“, erklärt Ulrich Paetzold vom Karlsruher Institut für Technologie. „Dabei wird eine obere Perowskit-Solarzelle auf eine untere Silizium-Solarzelle gestapelt. Perowskit-Solarzellen können wegen der Vielseitigkeit der Materialklasse und ihrer exzellenten optoelektronischen Eigenschaften so angepasst werden, dass sie verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums effizient absorbieren können.“
Die Vorteile der Perowskitzellen
Kostengünstig, flexibel, farbenfroh
Doch nicht nur Perowskit-Solarzellen erzielen hohe Wirkungsgrade, auch andere Photovoltaik-Materialien wie etwa Gallium-Arsenid (GaAs) sind sehr leistungsfähig. Doch Leistungsfähigkeit allein macht noch keine Superzelle. Auch andere Dinge sind relevant – etwa deren Kosten. GaAs-Module sind beispielsweise sehr teuer, weshalb sie kaum im Alltag zum Einsatz kommen, sondern eher für spezielle Anwendungen etwa in der Luft- und Raumfahrttechnik verwendet werden.
Die Herstellung von Perowskit- Solarzellen ist im Vergleich zu der anderer PV-Materialien vergleichsweise günstig. Während beispielsweise der Quarzsand für die Produktion von Siliziumkristallen in energieintensiven Verfahren bei Temperaturen von mehr als 1.700 Grad Celsius geschmolzen werden muss, sind die Herstellungstemperaturen für Perowskite um einiges niedriger.
„Tandemzellen können bei nur 100 Grad Celsius prozessiert werden und sind ultradünn – deutlich dünner als ein menschliches Haar. Außerdem lassen sie sich mit neuartigen Druckverfahren produzieren“, erklärt Steve Albrecht vom Helmholtz-Zentrum Berlin. Eine fertige Perowskitlösung lässt sich zudem in der Regel bei Temperaturen weit unter 200 Grad Celsius auf die Substrate aufdampfen, was ebenfalls ein günstigeres Herstellungsverfahren ausmacht.
Geringer Materialverbrauch und wenig Material
Zudem braucht die Perowskitschicht nur hauchdünn zu sein, um ihre Funktion zu erfüllen. Der Grund: Die Spezielle Kristallstruktur absorbiert auf kürzerer Strecke einen höheren Anteil des einfallenden Lichts als etwa Silizium und wandeln diesen dann in nutzbare Energie um. Aus diesem Grund wird bis zu 100-mal weniger Material als bei der Herstellung von Silizium-Solarzellen benötigt.
Auch die Kosten der Ausgangsstoffe fallen bei der Herstellung von Perowskit-Solarzellen kaum ins Gewicht – die für ihre Produktion erforderlichen Rohstoffe wie Blei, Zinn oder Halogeniden sind in der Erdkruste reichlich vorhanden und leicht zugänglich. „Die Technologie kann dazu beitragen, die Kosten für Elektrizität weiter zu senken“, so Paetzold.
Und noch einen Vorteil haben die Perowskite: Sie sind flexibel – eine Eigenschaft, die sie etwa mit Organischer Photovoltaik teilen. Da sie aus einer flüssigen Ausgangslösung entstehen, kann man sie problemlos auch auf biegsame Substrate streichen beziehungsweise aufdampfen. „Silizium-Solarzellen hart und brüchig, womit Solarzellen auf Perowskitbasis einen klaren Vorteil bei jeglicher Anwendung bieten, bei der Flexibilität eine Rolle spielt, zum Beispiel für die Energieversorgung von anschmiegsamer und tragbarer Elektronik“, so Yana Vaynzof vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung.
Auch als ultradünne, halbdurchsichtige Solarzellen für smarte Fenster und bauwerkintegrierte Photovoltaik könnten sich Perowskitzellen laut Vaynzof wahrscheinlich als überlegen herausstellen. Ihre Fähigkeit, verschiedenste Farbgebungen anzunehmen, ist besonders dann von Vorteil, wenn Solarmodule sich an das Stadtbild anpassen sollen, beispielsweise bei denkmalgeschützten Hausdächern, wo oft bestimmte Farben wie etwa ein Teracotta-Ton benötigt werden – eine möglichst unauffällige Farbeinstellung ist in diesem Fall zentral.
Die Hürden auf dem Weg zum Solar-Supermaterial
Wo ist der Haken?
Wenn Perowskit-Solarzellen also hohe Wirkungsgrade haben, sich erstaunlich schnell weiterentwickeln, fast optimal für Tandem-Solarzellen geeignet sind und sich auch noch günstig herstellen lasse: Weshalb sind dann immer noch überall Siliziummodule zu sehen, aber von Perowskiten ist auf den Dächern quasi keine Spur?
Der Grund für dieses Mysterium: Perowskitzellen sind im Vergleich zu anderen Solarmodulen relativ instabil und empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Denn Solarzellen müssen über Jahrzehnte auch unter Schneefall, Hagel und praller Sonne intakt bleiben und eine möglichst gleichbleibende Leistung bei der Stromerzeugung erbringen. Doch während beispielsweise Silizium-Module teilweise auch noch nach 25 Jahren bis zu 90 Prozent ihres Energieoutputs produzieren, neigen Perowskitzellen dazu, bei Feuchtigkeit, Hitze und Licht zu degradieren, was im Laufe der Zeit zu einer erheblichen Leistungsminderung führt.
„In Punkto Lebensdauer können Solarmodule auf Basis von Perowskit-Halbleitermaterialien noch nicht mit etablierten Silizium-Modulen mithalten“, erklärt Steve Albrecht vom Helmholtz-Zentrum Berlin. „Wenn Perowskit-Solarzellen jedoch fest verbaut werden, sollten sie eine stabile Leistung über mehrere Jahrzehnte liefern.“
Lange haltbares Perowskit gesucht
Aus diesem Grund versuchen Forschende zurzeit, das Problem der Degradation von Perowskit-Solarzellen zu beheben. So hat beispielsweise ein Team der University of California in Los Angeles Koffein als stabilisierenden Zusatzin die Perowskit-Ausgangs-Lösung gemischt. Mit Erfolg: Nach 1.300 Stunden zeigte die Koffein-Solarzelle noch immer 86 Prozent ihres anfänglichen Wirkungsgrads. Forschende aus Nürnberg haben 2021 eine länger anhaltende Leistung erzielt, indem sie eine besonders stabile Perowskit-Variante identifizierten. Diese Zelle hatte nach 1.450 Betriebsstunden sogar rund 99 Prozent ihres Wirkungsgrads.
Anfang 2024 gelang es einer schwedischen Forschungsgruppe eine Perowskitzelle mit einem nahezu unmerklichen Leistungsverlust selbst nach mehr als 4.500 Stunden, also fast 200 Tagen herzustellen. Eine Extrapolation dieser Daten ergab zudem, dass die Solarzelle erst nach neun Jahren auf 80 Prozent seiner ursprünglichen Leistung absinken würde. „Soweit wir wissen, handelt es sich dabei um den stabilsten bisher berichteten Perowskitfilm,“ sagt Jiajia Suovom Ångström Forschungszentrum in Uppsala.
Hoher Bleigehalt
Doch die Perowskitzellen bergen ein weiteres Problem: Das Blei, das in vielen der Zellen enthalten ist, könnte bei Beschädigung der Module austreten und in die Umwelt gelangen. Dieses Schwermetall ist jedoch toxisch und verursacht bei Menschen und Tieren sowohl akute als auch schleichende Schäden an Organen und Nervensystem. Bei Kindern kann eine längere Bleibelastung das Gehirn dauerhaft schädigen und beispielsweise die Intelligenz beeinträchtigen, wie Studien zeigen.
Um solche Umwelt- und Gesundheitsfolgen zu verhindern, wird bereits an Alternativen zu Blei im Perowskitmix geforscht. Zwar könnte das Blei auch durch alternative zweiwertige Metalle wie Zinn ersetzt werden. „Solche Perowskite stehen jedoch vor Herausforderungen wie geringer Stabilität und effizienter Ladungsextraktion“, erklärt Syed Hasnain von der Prince Muhammad Bin Fahd Universität.
Markteintritt in zwei bis fünf Jahren
Laut Yana Vaynzof vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung gilt es deshalb, noch einige entscheidende Herausforderungen zu überwinden, bevor die Perowskitzellen zur Marktreife gebracht werden können. Diese betreffen die Fertigung großflächiger Module, deren Stabilität und Nachhaltigkeit. Doch dann sieht sie hoffnungsvoll in die Zukunft. „Bedingt durch die rasante Steigerung der Effizienz und die Einfachheit der Herstellung von Perowskit-Solarzellen wird erwartet, dass diese einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende leisten werden“, erklärt Vaynzof.
Auch andere Experten sehen einem baldigen Markteintritt der Module nichts mehr im Wege stehen. „Erste Bauteile mit Perowskit-Solarzellen sind bereits auf dem Markt, zum Beispiel von der Firma Saule. Ein realistischer Markteintritt scheint auf einer Zeitskala von zwei bis fünf Jahren zu liegen“, erklärt Albrecht. Laut ihm könnten Perowskite dann einen beträchtlichen Beitrag zur Energiewende leisten.
