Solarhoffnung: Machen Perowskite Sonnen-Energie billiger als Kohlestrom?

Solarhoffnung: Machen Perowskite Sonnen-Energie billiger als Kohlestrom?

von Andreas Menn

Ein neues Supermaterial könnte Solarzellen spottbillig machen. Doch die Forscher müssen zwei Probleme lösen.

Sie sind das neue Supermaterial der Fotovoltaik: Perowskite, eine bestimmte Form von Mineralien, haben in den vergangenen Monaten für großes Aufsehen nicht nur in der Forschung gesorgt. Erst seit 2009 setzen Wissenschaftler sie im Labor zum Bau von Solarzellen ein. Seitdem schnellte der Wirkungsgrad von Perowskit-Zellen von 3,8 Prozent auf inzwischen 17,9 Prozent hoch.

"Einen solchen schnellen Fortschritt hat die Solarforschung bisher noch nicht erlebt", sagt Mohammad Khaja Nazeeruddin, Forscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Inzwischen sind die Perowskit-Zellen zumindest im Labor fast so leistungsstark wie die besten Dünnschicht-Solarzellen des US-Herstellers First Solar.

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Gegenüber den bisherigen Techniken haben sie einige deutlich Vorteile: Sie brauchen rund hundertmal weniger lichtabsorbierendes Material und auch viel weniger Energie in der Herstellung. Sie lassen sich zudem auf Glas oder Stahl drucken und sie ernten auch bei schrägem Lichteinfall, etwa an der Westfassade eines Gebäudes, vergleichsweise viel Strom.

Preissturz in SichtUnd es kommt noch besser: Die neue Technik könnte Solarstrom spottbillig machen. Das legen Zahlen nahe, die der Forscher Tsutomu Miyasaka von der Toin University of Yokohama jüngst auf der Solarkonferenz HOPV14 an der EPFL in Lausanne präsentierte. Demnach könnten Perowskit-Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von 15 Prozent, sobald sie in Massen produziert werden, zwischen 0,11 und 0,14 Dollar pro Watt Leistung (Wp) kosten.

Zum Vergleich: Die Module von First Solar, die seit Jahren zu den billigsten der Welt gehören, kosteten Ende 2013 im Schnitt 0,56 Dollar pro Watt Leistung. Perowskit-Solarzellen wären also bis zu fünf mal preiswerter als die billigsten Solarzellen von heute. Die Folge: Solarstrom wäre je nach Standort sogar preiswerter als Strom aus Kohlekraftwerken.

Miyasaka ist in der Szene kein Unbekannter - im Gegenteil: Er hat 2009 als erster Perowskite für Solarzellen verwendet und damit die gesamte Forschung angestoßen. Wie er glauben viele Wissenschaftler, dass die neuen Zellen sogar bald noch effizienter werden. Yanfa Yan, Physik-Professor an der Universität Toledo, hält einen Wirkungsgrad von 22 Prozent in den nächsten zwei Jahren für möglich - und langfristig sogar 29,4 Prozent.

Wasser frisst Solarzelle aufDamit sind Perowskit-Solarzellen die neue große Hoffnung in der so genannten dritten Generation der Fotovoltaik, die nun nach den kristallinen Silizium-Zellen und den Dünnschicht-Zellen langsam auf den Markt kommt. Zu der neuen Zellgeneration gehören auch Farbstoff-Solarzellen, die Farbstoffe zur Lichternte nutzen (siehe Foto oben), und organische Solarzellen aus Kunststoffen. Beide werden seit Jahrzehnten erforscht - aber im Wirkungsgrad wurden sie von der Perowskit-Technik rasch überholt.

Trotz aller Begeisterung in der Forscherszene müssen die Wissenschaftler noch entscheidende Hürden auf dem Weg zur Marktreife überwinden. Denn Perowskit-Solarzellen sind empfindlich. Sobald sie mit Wasser oder UV-Licht in Kontakt kommen, zersetzen sich sich binnen kurzer Zeit. Damit Solarzellen kommerziell Erfolg haben, müssen sie aber mindestens zehn, besser aber 20 Jahre und länger halten. Darum arbeiten Forscher weltweit daran, die neuen Zellen robuster zu machen.

Henry Snaith, Solarforscher an der Universität Oxford, will das Problem mit Hilfe von Kohlenstoffnanoröhren und einer wasserabweisenden Plexiglas-Verpackung (PMMA) lösen. Mit diesen Materialien konnte Snaith im Labor den Wirkungsgrad der Zellen 96 Stunden lang bei hohen Temperaturen nahezu stabil halten. Um Lebensdauern von 20 Jahren zu simulieren, sind aber deutlich längere Tests nötig.

Der Kampf gegen die Zellalterung ist also noch längst nicht entschieden. Dennoch hoffen Forscher, ihn zu gewinnen. "Für organische Leuchtdioden sind bereits gute Verkapselungen entwickelt worden", sagt Nam-Gyu Park von der Sungkyunkwan University in Korea (siehe Video unten). "Die können wir leicht für die Solarzellen übernehmen."

Belastung für das grüne ImageEin zweites Problem ist genauso knifflig: Perowskit-Solarzellen enthalten 0,21 Gramm Blei pro Quadratmeter. Das Schwermetall ist ein Nervengift und schädigt schon in geringen Mengen die Gesundheit. Sollte künftig ein Solarmodul in Brand geraten, könnte dabei Blei in die Umgebung gelangen.

Oxford-Forscher Snaith und andere Experten halten es dennoch für möglich, bleihaltige Solarzellen auf den Markt zu bringen. Schon heute enthalten Module von First Solar giftiges Cadmium. Und auch Silizium-Module, wie sie bereits auf hunderttausenden Hausdächern montiert sind, enthalten bis zu 30 Gramm Blei.

Blei würde allerdings schwer auf dem ursprünglich grünen Image der Solarzellen der dritten Generation lasten. Forscher hoffen darum, neue Varianten der Perowskit-Solarzelle zu finden, die ohne das verflixte Metall auskommen. Oxford-Forscher Snaith hat kürzlich eine Zelle vorgestellt, in der er Zinn statt Blei einsetzt. Ihr Wirkungsgrad liegt allerdings nur bei sechs Prozent. Zudem ist auch Zinn in bestimmten Verbindungen gesundheitsschädlich.

Studien am FließbandSind Perowskit-Solarzellen also der große Fortschritt - oder bald schon eine große Enttäuschung? Noch lässt sich die Frage nicht beantworten. Auf dem Weg vom Labor in die Massenproduktion können zahlreiche technische Probleme auftauchen. Und bisher ist den Experten nicht einmal klar, wie die neuen Super-Zellen genau funktionieren. "Sie sind leicht zu bauen, aber schwer zu verstehen", sagt ein Materialforscher aus der deutschen Industrie.

Das ändert sich aber zunehmend, fast täglich werden neue Forschungsergebnisse publiziert. 210 Studien sind inzwischen zu Perowskit-Solarzellen erschienen, davon 150 seit Anfang 2013. Und so wird es wohl nur eine Frage der Zeit sein, bis die psychologisch wichtige Marke von 20 Prozent Wirkungsgrad geknackt ist.

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Im WiWo-Green-Interview erklärt der koreanische Forscher Nam-Gyu Park die Fortschritte bei den Perowskit-Solarzellen:

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