Metallorganische Perowskite haben nach Ansicht vieler Forscher das Potenzial, die derzeit dominierende kristalline Photovoltaik-Technologie abzulösen. Auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) forscht daran und hat am Mittwoch einen neuen Erfolg vermeldet. So sei eine hocheffiziente Lochleiterschicht aus Nickeloxid entwickelt worden, die großflächig abscheidbar sei und in den Perowskit-Solarzellen zu Rekordeffizienzen führe, so das Institut.
Trifft Sonnenlicht auf den Perwoskit-Absorber, lösen sich dort Elektronen aus ihrem gebundenen Zustand und werden energetisch angeregt, wie die Forscher ausführen. Gleichzeitig blieben positiv geladene Fehlstellen als „Löcher“ zurück. „Um Energie aus der Solarzelle entnehmen zu können, müssen diese Elektronen und Löcher an unterschiedlichen Seiten des Absorbers abgeführt werden. In Perowskit-Solarzellen geschieht dies durch selektive Ladungsträgerschichten, also Membranen, die entweder nur die Elektronen oder nur die Löcher passieren lassen“, sagt Tobias Abzieher, Doktorand am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT. „Damit erfordern effiziente Perowskit-Solarzellen nicht nur eine Optimierung der lichtabsorbierenden Perowskit-Schicht, sondern auch dieser ladungsträgerselektiven Schichten.“
Die entwickelte Lochleiterschicht auf Basis von Nickeloxid (NiOx) sei kostengünstig und anders als die üblichen organischen Materialien unempfindlicher gegenüber Temperaturen von mehr als 70 Grad Celsius. „Um diese auf dem Substrat abzuscheiden, nutzen wir eine Vakuumprozesstechnik – die Elektronenstrahlverdampfung. Dabei lagert sich das Metalloxid mittels Bedampfung auf einem Substrat ab. Mit dieser Technik können wir die Schicht großflächig homogen, sowie dank der geringen Anzahl an Prozessparametern mit gleichbleibend hoher Qualität herstellen“, so Abzieher weiter.
Für vollständig vakuumprozessierte Perowskit-Solarzellen erzielte das KIT-Team nach eigenen Angaben Wirkungsgrade von bis zu 16,1 Prozent. Mit tintenstrahlgedruckten Absorberschichten seien sogar Wirkungsgrade bis zu 18,5 Prozent erreicht worden. Aktuell dominiert in der Entwicklung die Abscheidung per Drehrotationsbeschichtung, für die Wirkungsgrade über 24 Prozent erzielt wurden. Allerdings lässt sich diese praktisch nicht auf große Flächen übertragen“, sagt Abzieher.
Gerade dies sei aber wichtig, um die Perowskit-Photovoltaik vom Labor in die Fabrik zu bringen. Im Mittelpunkt der Arbeit des KIT stünden daher auch skalierbare Herstellungsverfahren für die Technologie. An den Forschungen sei auch das Innovation Lab in Heidelberg beteiligt. Zudem würden die Arbeiten vom Bundesforschungsministerium, der Initiierungs- und Vernetzungsförderung der Helmholtz-Gemeinschaft sowie der Karlsruhe School of Optics & Photonics (KSOP) unterstützt.
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Es ist immer noch nicht erkennbar ob diese Forschungsergebnisse je zu in industriellen Maßstab produzierbaren Solarzellen mit einer vergleichbaren Stabilität wie bei der aktuell dominierenden kristalline Photovoltaik-Technologie führt . Mir scheint das eine ähnliche Fata Morgana wie die Grätzelzelle zu sein , bei denen man vor 20 Jahren ähnliche Erwartungen hatte, die aber nie zu brauchbaren stabilen Zellen führten und wirtschaftlich ist die Grätzel-Zelle bis heute bedeutungslos.
Ich gebe Ihnen Recht, dass die Technologie noch am Anfang ihrer Entwicklung steht. Die Tragweite der Perowskit-Technologie ist aber enorm (im Gegensatz zum Fall der Grätzel-Solarzelle). Das Potential der Perowskit-Technologie liegt nicht im Ersatz der Siliziumtechnologie, sondern in deren Ergänzung. Tandem-Solarzellen auf Basis von Silizium und Perowskit ermöglichen Wirkungsgrade über 35 %, deren Erzielung einen enormen Schritt für die Photovoltaik bedeuten wird. Aktuell gibt es kein anderes Material, dass Tandem-Solarzellen mit einem ähnlich geringen Herstellungspreis erlauben würde.
@S. Koch :
Tandemzellen auf Basis von Silizium und Perowskit machen doch nur Sinn wenn die dabei verwendeten Perowskitzellen eine vergleichbare Lebensdauer wie die Siliziumzellen haben. Davon sind die aktuellen Perowskitzellen immer noch weit entfernt. Und es verbindet Perowskitzellen mit der Grätzelzelle , das auch dort das Problem der Instabilität und zu geringen Lebensdauer bei der Grätzelzelle nie gelöst werden, und auch bei der Perowskitzellen eine befriedigende Lösung hier immer noch nicht in Sicht ist. Und so ganz neu wie sie in den Raum stellen ist die Perowskitzelle mittlerweile auch nicht mehr , es gibt sie schon seit 10 Jahren und wirtschaftlich ist sie bis heute bedeutungslos.
Die Fortschritte in dieser (vergleichsweise) kurzen Zeit sind aber enorm. Gerade in der Stabilität wurde mit gezeigten Einsatzdauern von mehreren 10.000 Stunden in den letzten Monaten wichtige Erfolge erzielt. Wenn das so weiter geht, bin ich mir sicher, dass die Technologie aussichtsreich sein kann. Schließlich hat auch die Siliziumtechnologie hat 4 Jahrzehnte benötigt um eine nennenswerte Relevanz auf dem Markt zu entwickeln. Wenn wir schauen welches Invest gerade in China und anderen asiatischen Ländern in die industrielle Fertigung der Perowskite fließt, bin ich gespannt was sich da so entwickelt. Ich hoffe nur Deutschland lässt sich nicht wieder abhängen, wie auch schon im Bereich der Siliziumtechnologie. Ich gebe Ihnen aber Recht, es gibt noch viel zu tun…
@S. Koch :
ein Jahr hat 8760 Stunden und Siliziumzellen haben eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren von daher sind 10.000 Stunden nicht sehr viel. Ihr Glaube in allen Ehren aber ob Perowskitzellen je einen ernst zu nehmende Bedeutung haben werden ist aktuell nicht absehbar
Ich hoffe die Wissenschaftler lassen sich nicht anstecken von Ihrem Pessimismus ;-). Herausforderungen treiben die Wissenschaft doch erst an. Und die Fortschritte sind da. Wo wären wir heute wenn Carl Benz gesagt hätte: „Wer braucht schon ein Auto? Ist ja erstmal auch nicht schneller als ein Pferd“.
@S. Koch: das ist doch ganz einfach wenn Carl Benz das gesagt hätte wäre Gottlieb Daimler ein Jahr später der erste gewesenen. Der Vergleich ist aber völlig schief weil es längst funktionierende Solarzellen auf Siliziumbasis gibt .Und wenn es um anwendungsbezogene Forschung geht , dann endet die auch oft in Sachgassen wie zum Beispiel die Grätzel-Zelle
Okay, ich gebe Ihnen Recht. Dieser Vergleich war schief. Ich korrigiere mit LCD und OLED Fernseher. Brauchen wir die? Röhrenfernseher haben doch auch funktioniert…Innovation braucht Mut und Forschung!