KIT und Oxford PV machen Fortschritte in der Perowskit-Forschung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat nun zur Erforschung von Perowskit-Halbleitern ein Schwerpunktprogramm bewilligt. Sie fördert das Programm bis zu sechs Jahre lang mit jährlich rund 2,3 Millionen Euro, wie die Universität Konstanz am Dienstag mitteilte. Lukas Schmidt-Mende, Professor für Hybride Nanostrukturen an der Universität, wird demnach das Programm mit dem Titel „Perowskit-Halbleiter: Von fundamentalen Eigenschaften zur Anwendung“ koordinieren.

Foto: Universität Konstanz
Lukas Schmidt-Mende ist Koordinator des DFG-Schwerpunktprogrammes „Perowskit-Halbleiter“ und Professor für Hybride Nanostrukturen an der Universität Konstanz

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Das Schwerpunktprogramm soll europaweit zu einem der größten Forschungsverbünden bei der Perowskit-Forschung werden. Aus ganz Deutschland sowie aus Oxford in Großbritannien und der Schweiz seien Universitäten und Forschungseinrichtungen beteiligt. „Die Idee des Schwerpunktprogrammes ist, ein starkes Netzwerk zu schaffen, das die Forschung weiter voranbringt, als wenn einzelne Gruppen jeweils für sich arbeiten“, sagt Schmidt-Mende. Dabei sei man grundsätzlich interdisziplinär aufgestellt und habe seinen Kern in den Fachbereichen Physik und Chemie.

Bis Anfang 2019 sollen die Teilprojekte für eine Förderung im Rahmen Schwerpunktprogrammes ausgewählt werden. „Es wird eine Ausschreibung der DFG geben, zu der sich dann die verschiedenen Institutionen bewerben können“, erklärt Schmidt-Mende auf Nachfrage von pv magazine. Die Ziele des gesamten Projekts seien dabei zumeist grundlagenorientiert, es gehe um das bessere Verständnis dafür, was Perowskite zu so exzellenten Halbleitermaterialien für Solarzellen macht. „Es sollen aber auch sehr anwendungsbezogene Themen wie die Degradationsmechanismen oder der Einsatz in Tandemsolarzellen untersucht werden“, sagt der Koordinator.

KIT macht Fortschritte

Neue Perowskit-Forschungsergebnisse meldete am Mittwoch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dort haben Forscher gemeinsam mit Wissenschaftler des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) und der Ludwig-Maximilians-Universität München auf Perowskiten basierenden Dünnschicht-Tandem-Solarzellen untersucht. Herausgekommen seien neue Erkenntnisse zur physikalischen Natur der optischen Übergänge, über die die Wissenschaftler nun in der Zeitschrift „Applied Physics Letters“ berichteten. Das Forschungsprojekt ist Teil des Verbundprojekts „CISOVSKIT“ (Entwicklung hocheffizienter Hybrid-Solarzellen aus CIGS- und Perowskit-Materialien), das vom Bundesforschungsministerium gefördert wird.

Optische Übergänge sind dem KIT zufolge Änderungen des Energiezustands von Elektronen in einem Material durch Emission (Abgabe) oder Absorption (Aufnahme) von Photonen, also von Lichtteilchen. Bei dem Forschungsprojekt habe Fabian Ruf in seiner Doktorarbeit nun gezeigt, dass in Solarzellen mit dem Absorbermaterial Methylammonium-Bleijodid, dem klassischen Halid-Perowskit, der grundlegende optische Übergang exzitonischer Natur sei. Das bedeute, dass in den Solarzellen nach der Absorption von Lichtteilchen Exzitonen entstehen können – also gebundene Elektron-Loch-Paare. Dadurch erhöhe sich zwar die Absorptionsfähigkeit des Materials, um den Strom fließen zu lassen, müsse jedoch die Bindungsenergie der Exzitonen überwunden werden.

Je nach Kristallstruktur des Perowskits, die sich mit wechselnder Temperatur ändere, betrage die Exzitonen-Bindungsenergie circa 26 beziehungsweise 19 Millielektronenvolt. „Die Bindungsenergie ist damit klein genug, um bei Raumtemperatur eine ausreichende thermische Trennung der Ladungsträger zu ermöglichen“, erklärt Michael Hetterich vom Institut für Angewandte Physik am KIT. „Zusätzlich kommt es durch die exzitonischen Effekte zu einer verstärkten Absorption. Beides zusammen ermöglicht einen effizienten Betrieb der Perowskit-Solarzelle.“

Bleianteil mit geringen Umweltauswirkungen

In der untersuchten Perowskit-Solarzelle ist auch das Schwermetall Blei enthalten, das Wissenschaftler künftig durch umweltverträglichere Elemente ersetzen wollen. Besonders schwerwiegend erscheinen die negativen Umweltauswirkungen allerdings nicht. Wie der Perowskit-Spezialist Oxford PV ebenfalls am Mittwoch meldete, macht das emittierte Blei von Tandem-Modulen nur einen Anteil von weniger als 0,3 Prozent an der Ökotoxizität des kompletten Moduls aus. „Dies kann als ein erstes ermutigendes Ergebnis angesehen werden, das darauf hinweist, dass die minimale Präsenz von Blei im Perowskit-Film nicht als Hindernis für die Einführung dieser Technologie angesehen werden sollte“, sagte Sylvain Nicolay, Projektkoordinator des Perowskit-Forschungsprojekts „CHEOPS“, das vom europäischen Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizon 2020“ mitfinanziert wird. Bisher hätte die Verwendung der Perowskit-Solarzellentechnologie auch Bedenken hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt hervorgerufen, insbesondere wegen des Bleis, sagt Nicolay.

Das Forschungsprojekt „CHEOPS“ hat die Lebenszyklus-Umweltverträglichkeitsstudie zu den Perowskit-Silizium-Tandemzellen von Oxford PV beim niederländischen Beratungsunternehmen Smart-Green-Scans in Auftrag gegeben. Demnach geht der primäre Einfluss auf die Nutzung von Ressourcen, das Treibhauspotenzial und den Energiebedarf von dem Standard-Silizium-Bauelement und nicht vom Perowskit-Bauelement aus. „Photovoltaik-Module basierend auf konventionellem Silizium enthalten bis zu 24 Gramm Blei – Perowskit fügt der Menge weniger als ein Gramm hinzu“, sagt eine Sprecherin von Oxford PV auf Nachfrage von pv magazine. Das in Photovoltaik-Modulen enthaltene Blei sei von den sogenannten RoHS-Richtlinien für Gefahrenstoffe ausgenommen. Da die Module neben dem Blei aber auch andere Gefahrenstoffe enthalten, müssen sie am Ende ihrer Lebensdauer ordnungsgemäß entsorgt und recycelt werden.

Die von Oxford PV präsentierten Ergebnisse entstammen der ersten Phase einer vollständigen Ökobilanzanalyse, die auch die Installation, den Betrieb, die Wartung und das Ende der Lebensdauer des Photovoltaik-Moduls umfassen wird. „Die ersten Ergebnisse sind die ersten Schritte für eine umfassende, unabhängige Verifizierung, dass unsere Perowskit-Solarzellen keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt haben“, sagt Chris Case, Technikvorstand (CTO) bei Oxford PV. Die Perowskit-Solarzellen böten stattdessen der Photovoltaik-Industrie die Möglichkeit, die Leistung ihrer Siliziumzellen und -module signifikant zu verbessern. Oxford PV will nach eigenen Angaben im kommenden Jahr die Produktion seiner Tandem-Solarzellen starten.

Perowskite gehören zu den vielversprechendsten Materialien für Solarzellen, da sie inzwischen hohe Wirkungsgrade erziele und sich vergleichsweise günstig herstellen lassen. Insbesondere die Halid-Perowskite, die sowohl organische als auch anorganische Verbindungen enthalten und daher als hybride Halbleiter gelten, hätten in weniger als einem Jahrzehnt eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen, sagt Photovoltaik-Experte Michael Hetterich vom KIT. „Inzwischen wandeln sie in Solarzellen über 20 Prozent des einfallenden Lichts direkt in nutzbaren Strom um.“

Die günstige Herstellung ergibt sich daraus, dass die Perowskite aus einer flüssigen Lösung bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden können. Auf diese Weise können sie als Film auf Flächen aufgestrichen werden, was die Herstellung von Solarzellen wesentlich vereinfacht. Dabei weist die Materialstruktur auf Nanoebene jedoch eine hohe Zahl an Defekten auf und besitzt in diesem Sinne keinen hohen Reinheitsgrad. „Dass diese Perowskite trotzdem einen so hohen Wirkungsgrad erbringen, ist das Spannende daran: Sie müssen eine sehr hohe Defekttoleranz besitzen, so dass vorhandene Defekte wenig ausmachen“, sagt Schmidt-Mende von der Universität Konstanz.