Perowskit-Solarzellen: Aufbau, Funktion, Nachteile, Marktreife

Perowskit-Solarzellen sind hocheffizient und haben Potenzial für weitere Verbesserungen. Diese neue Technologie hat jedoch auch Nachteile, die ihre breite Anwendung einschränken. Mehr zum Aufbau, Funktion und zur Marktreife erfahren Sie in diesem Artikel. 

Was sind Perowskit-Solarzellen? 

Perowskit-Solarzellen sind eine neue Zellart. Sie nutzen einen Perowskit-Kristallstruktur-Material als lichtabsorbierendes Halbleiterelement. Diese Zellen versprechen hohe Wirkungsgrade, niedrige Kosten und einfache Herstellungsprozesse. Sie sind allerdings noch nicht marktreif. 

Wie sind Perowskit-Solarzellen aufgebaut? 

Perowskit-Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten. Das Zentrum ist die Perowskit-Schicht aus lichtabsorbierendem Halbleitermaterial. Oberhalb liegt eine transparente, leitende Oxidschicht. Darunter befindet sich eine Metallelektrode. Dazwischen gibt es Transportmaterialien für Elektronen und Löcher.

Im Vergleich dazu sind herkömmliche Silizium-Zellen dicker und ihr Herstellungsprozess ist aufwendiger. 

Perowskit Solarzellen gibt es als Dünnschichtzellen und Siliziumzellen. 

In den neuesten Forschungen werden Perowskit-Zellen und Silizium-Zellen zusammen zu sogenannten Tandem-Solarzellen verwendet. Diese nutzen das Lichtspektrums noch effizienter. Während Silizium-Zellen langwelliges Licht absorbieren, nimmt die dünne Perowskit-Schicht kurzwelliges Licht auf. Tandem-Solarzellen haben das Potenzial, einen Wirkungsgrad von über 30% zu erreichen.

Wie funktionieren Perowskit-Solarzellen? 

Perowskit-Solarzellen funktionieren ähnlich wie herkömmliche Solarzellen. Der Absorber aus Perowskit absorbiert das Sonnenlicht, wodurch sich Elektronen aus dem Halbleiter freisetzen. Es entstehen freie negative Ladungsträger und positive "Löcher". Die Elektronen werden zur unteren Elektrode geleitet. Die positiv geladenen Löcher gehen zur oberen Elektrode. So entsteht ein Stromfluss. 

Perowskit-Solarzellen sind bisher der einzige Zelltyp, bei dem sogenanntes Photonenrecycling möglich ist. Photonenrecycling in Perowskit-Solarzellen bezeichnet das erneute Absorbieren bereits emittierter Photonen. Diese Photonen würden sonst als Abfall gelten. Durch diesen Prozess steigt die Effizienz der Solarzelle. Grundlage für das Photonenrecycling ist das physikalische Phänomen der Photolumineszenz. Wenn sich ein Elektron nach einer bestimmten Zeit mit einem "Loch" verbindet, wird Energie freigesetzt und ein neues Photon erzeugt, das Elektronen freisetzt.

Welchen Wirkungsgrad erreichen Perowskit-Solarzellen? 

Perowskit-Solarzellen erreichen derzeit Wirkungsgrade von etwa 30%. Das Unternehmen Oxford PV entwickelte im Jahr 2020 eine Perowskit-Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 29,52%. Helmholtz-Zentrum Berlin verbesserte den Wirkungsgrad in 2021 auf 29,80%. Eine in der Schweiz entwickelte Tandem-Perowskit-Silizium-Solarzelle erreichte in 2022 einen Wirkungsgrad von 31,25%.

Im Vergleich zu konventionellen kristallinen Solarzellen ist der Wirkungsgrad deutlich höher.

Sind Perowskit-Solarzellen marktreif? 

Trotz erfolgreicher Forschungsergebnisse sind Perowskit-Solarzellen bisher nicht marktreif. Es müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden, wie die schwache Stabilität und giftige Materialien. Zudem führen noch Umwelteinflüsse wie Sauerstoff, Nässe oder Hitze zur schnellen Auslösung von inneren Verbindungen.

Damit Perowskit-Solarzellen marktreif sind, müssen sie auch außerhalb des Labors an die Langlebigkeit von herkömmlichen Solarzellen herankommen. Derzeit erreichen sie diese Lebensdauer nur auf Kosten des Wirkungsgrads. Ein Team der Princeton University entwickelte bereits eine Perowskit-Solarzelle, die voraussichtlich über 30 Jahre halten wird. Sie erreicht allerdings einen Wirkungsgrad von lediglich 17,4%. Die Lebensdauer herkömmlicher Solarzellen ist mit bis zu 40 Jahren noch deutlich länger.  

Gibt es Hersteller, die bereits Perowskit-Solarmodule produzieren? 

Es werden noch keine Perowskit-Solarmodule produziert. Perowskit-Solarzellen werden derzeit breitflächig von Forschungsinstituten erforscht. Allerdings produziert der Hersteller Oxford PV die ersten Perowskit-auf-Silizium-Tandemsolarzellen. Es handelt sich dabei um die Verbindung von Perowskit-Solarzellen mit Silizium-Zellen. 

Was kostet die Herstellung der Perowskit-Solarzellen?

Da Perowskit-Solarzellen bisher nicht marktreif sind, sind keine Preise bekannt. Voraussichtlich sollten sie langfristig günstiger als herkömmliche Solarzellen sein. Laut der Stanford University sind Herstellungspreise von rund 2,70 € pro Quadratmeter Solarzelle möglich.

Welche Vor- und Nachteile haben Perowskit-Solarzellen? 

Perowskit-Materialien wie Methylammonium-Bleihalogenide sind günstig und einfach in der Herstellung. Sie haben intrinsische Eigenschaften wie ein breites Absorptionsspektrum und schnelle Ladungstrennung, was Perowskit-Solarzellen einen hohen Wirkungsgrad verleiht. Allerdings werden diese Wirkungsgrade nur mit bleihaltigen und umweltschädlichen Perowskiten-Mischungen erzielt. Zudem ist die Lebensdauer der aktuellen Perowskit-Zellen zu kurz.

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