Zum Hauptinhalt springen
25.01.2024

Welchen Beitrag können Perowskit-Solarzellen für die Energiewende leisten?

     

  • Photovoltaik: Perowskit-Silizium-Solarzellen versprechen mehr Strom aus Sonnenlicht als konventionelle Solarzellen
  •  

  • Herstellung von Perowskit-Solarzellen könnte weniger Energie benötigen
  •  

  • Forschende: Die größte Herausforderung ist noch die Stabilität, davon hängt der Zeitpunkt eines Markteintritts ab
  •  

Die Solarenergie soll in Deutschland eine entscheidende Rolle für die Energiewende spielen. Die Bundesregierung plant daher, den Photovoltaik-Ausbau weiter zu beschleunigen [I]. Solarzellen aus Silizium sind bisher die absoluten Marktführer. Sie sind stabil, verlässlich und wegen der ausgeprägten Wettbewerbssituation extrem günstig. Außerdem wurden die Solarzellen in den letzten Jahren immer effizienter, konnten also bei gleicher Sonneneinstrahlung mehr Strom produzieren [II]. Bei der Verbesserung der Wirkungsgrade kommt die Industrie nun aber an ihre Grenzen.

Um die Solarzellen weiter zu verbessern, setzen Forschung und Industrie derzeit auf Materialien, die die Siliziumzellen durch eine zusätzliche, oben aufgebrachte Schicht ergänzen, vor allem auf Perowskite [III]. Im Labor erreichen diese Tandem-Solarzellen heute Wirkungsgrade von 33,9 Prozent. Herkömmliche Siliziumsolarzellen liegen mit Laborwirkungsgraden um die 26,8 Prozent etwa 7 Prozentpunkte darunter [II]. Für den Fall, dass sich ein ähnliches Verhältnis in der Praxis umsetzen ließe, bedeutet das: Perowskit-Silizium-Tandems könnten auf der gleichen Fläche eine Stromausbeute erzielen, die um rund ein Viertel höher liegt als die reiner Silizium-Solarzellen.

Die Forschungsteams kämpfen noch mit zahlreichen Problemen, vor allem in Bezug auf die Stabilität der Zellen [III]. Die Industrie ist trotzdem schon sehr aktiv: Das britische Start-up Oxford PV betreibt bereits seinen ersten Piloten für eine Produktionslinie in Brandenburg an der Havel [IV], das südkoreanische Unternehmen Hanwha Qcells möchte für 100 Millionen Dollar eine Produktion aufbauen, die bis zum Jahr 2026 marktreife Perowskit-Silizium-Tandems herstellen kann [V] und auch in den USA und in China wird bereits investiert [VI], [VII].

Ob und wann es zu einer Marktreife kommt, in welcher Weltregion sich eine Perowskit-Industrie ansiedeln und durchsetzen könnte und welche Rolle Perowskite für die Energiewende spielen werden, ist trotzdem noch unklar. 

 

 

 

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg, und Professur für Photovoltaische Energiekonversion, Universität Freiburg
  •  

  • Prof. Dr. Ulrich Paetzold, Leiter der Abteilung Next Generation Photovoltaics, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  •  

  • Prof. Dr. Steve Albrecht, Leiter der Abteilung Perowskit Tandemsolarzellen, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB), Berlin, und Leiter des Fachgebiets Perowskit Solarzellen, Technische Universität Berlin
  •  

  • Prof. Dr. Yana Vaynzof, Direktorin des Instituts für Neuartige Elektronik-Technologien, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW), Dresden, und Professorin für Neuartige Elektroniktechnologien, Technische Universität Dresden
  •  

Statements

Die folgenden Statements sind bewusst mit Blick auf langfristige Verwendbarkeit eingeholt und können auch in Zukunft zu diesem Thema Hintergrundinformationen bieten und zitiert werden.

Prof. Dr. Stefan Glunz

„Perowskit-Halbleiter haben optimale optoelektronische Eigenschaften, so dass sehr hohe Konversionswirkungsgrade mit Perowskit-Solarzellen erreicht werden können. Hohe Wirkungsgrade ermöglichen es wiederum, sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Nachhaltigkeit der Photovoltaik weiter zu verbessern. Deswegen werden Perowskite eine wichtige Rolle für die nächste Photovoltaik-Generation spielen.“

Prof. Dr. Ulrich Paetzold

„Für Endnutzer steigt die Attraktivität von PV-Anlagen mit der Effizienz. Das heißt: Je mehr Elektrizität pro Fläche erzeugt wird, desto attraktiver sind Solarzellen. Zudem sind die Kosten für die Solarzelle heute nur ein kleiner Teil der Gesamtkosten einer PV-Anlage, wodurch die Gesamteffizienz der Solarmodule besonders wichtig wird.“

„Mithilfe der Perowskit-Halbleiter kann die Effizienz von konventionellen Silizium-Solarzellen deutlich erhöht werden, um mehr als 30 Prozent. Das funktioniert, indem man sogenannte Tandem-Solarzellen konstruiert. 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.“

 „Perowskit-Solarzellen haben das Potential, den Photovoltaik-Markt zu revolutionieren. Die Technologie kann dazu beitragen, die Kosten für Elektrizität weiter zu senken. Es gibt aber auch noch einige technologische Herausforderungen in Hinsicht auf die Stabilität des Materials und die Produktion der Technologie im großen Stil. Skalierbare Produktionsverfahren müssen aufgrund der hohen Durchsätze in der Industrie sehr schnell, äußerst homogen und fehlerfrei die Perowskit-Schicht abscheiden. Letzteres ist eine aktuelle technologische Herausforderung.“

Prof. Dr. Steve Albrecht

„Aktuell dominieren Silizium-Solarmodule den Markt zu 95 Prozent: Sie sind inzwischen sehr preiswert, liefern zuverlässig mindestens 25 Jahre lang Strom und haben Modulwirkungsgradwerte von etwa 22 Prozent. Allerdings wird es immer schwieriger, diese Silizium-Solarmodule weiter zu verbessern. Ein großer Hebel, um die Stromgestehungskosten weiter zu senken, ist die weitere Erhöhung des Wirkungsgrades, zum Beispiel mit der Tandemtechnologie oder durch reduzierte Herstellungskosten durch reduzierten Material- und Energieaufwand bei der Herstellung. Beides könnte mit Perowskit-Solarzellen gelöst werden: Zum einen schaffen Tandemzellen bereits deutlich über 30 Prozent Wirkungsgrad im Labor, zum anderen können diese Zellen bei nur 100 Grad Celsius prozessiert werden und sind ultradünn – deutlich dünner als ein menschliches Haar. Außerdem lassen sie sich mit neuartigen Druckverfahren produzieren. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung ist die Skalierung und die Stabilität.“

„In Punkto Lebensdauer können Solarmodule auf Basis von Perowskit-Halbleitermaterialien noch nicht mit etablierten Silizium-Modulen mithalten. Das Tempo der Entwicklung ist aber sehr hoch: Als man diese Materialklasse im Jahr 2009 für die Solarforschung entdeckte, lag der Wirkungsgrad bei unter 4 Prozent und sank binnen Minuten. Inzwischen erreichen manche Perowskit-Solarzellen Wirkungsgrade von über 26 Prozent, andere schaffen Lebensdauern von mehreren Jahren. Wenn Perowskit-Solarzellen jedoch fest verbaut werden, sollten sie eine stabile Leistung über mehrere Jahrzehnte liefern. Dabei hilft, dass sich nun die Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen im Außeneinsatz immer zuverlässiger vorhersagen lässt [1]. Wenn wir im Bereich Stabilität weitere Fortschritte erreichen, werden Perowskit-Solarzellen durchaus einen sehr wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Erste Bauteile mit Perowskit-Solarzellen sind bereits auf dem Markt, zum Beispiel von der Firma Saule. Ein realistischer Markteintritt scheint auf einer Zeitskala von 2 bis 5 Jahren zu liegen.“

„Ein zunehmend wichtiges Thema im Energiesektor ist auch die die Unabhängigkeit von bestimmten Rohstoffen. Perowskite könnten hier einen Beitrag liefern, wenn sich eine Wertschöpfungskette in Europa ansiedelt. Dann wäre man mit dieser Technologie unabhängiger vom asiatischen Markt. Derzeit dominiert ein Land – China – die Silizium-Produktion für PV-Module.“

Prof. Dr. Yana Vaynzof

„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. Dennoch gilt es, einige entscheidende Herausforderung zu überwinden, bevor sie zur Marktreife gebracht werden können. Diese betreffen die Fertigung großflächiger Module, deren Stabilität, Nachhaltigkeit und Vergleichbarkeit in der Herstellung. Gemeinsame Bestrebungen von Chemikern, Physikern, Materialwissenschaftlern und Ingenieuren sind auf die Lösung dieser Aufgaben gerichtet, um Perowskit-Photovoltaik zur Massenfertigung zu bringen.“

Prof. Dr. Stefan Glunz

„Besonders dort, wo aufgrund eines begrenzten Flächenangebots hohe Wirkungsgrade besonders attraktiv sind, wie bei der Integration in Gebäuden oder Fahrzeugen, könnten die ersten spannenden Einsatzgebiete für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen sein.“

Prof. Dr. Ulrich Paetzold

„Perowskit-Solarzellen und Perowskit-Silizium-Solarzellen haben das Potential, den konventionellen Photovoltaik-Markt zu revolutionieren. Die Technologie kann perspektivisch die derzeit etablierten Technologien – zumeist auf Basis von Silizium – verdrängen. Zudem können die Technologien für neue Anwendungsfelder wie die gebäudeintegrierten, farbigen Solarmodule, fahrzeugintegrierten Solarmodule oder bifazialen Solarmodule (Module, die beidseitig Sonnenlicht absorbieren und zu Strom umwandeln können; Anm. d. Red.) weiterentwickelt werden. Perowskit-Solarmodule haben zudem spannende weitere Anwendungsfelder zum Beispiel in Form von flexiblen und leichtgewichtigen Solarmodulen.“

Prof. Dr. Steve Albrecht

„Perowskit-Halbleitermaterialien sind sehr vielseitig, und ihre Eigenschaften (zum Beispiel die Farbe, also der Bereich der Absorption bei Solarzellen oder Emission bei LEDs) können, anders als in kristallinem Silizium, durch das Verändern der Perowskit-Zusammensetzung angepasst werden. Das lässt sich hervorragend nutzen: So wandeln einige Perowskit-Verbindungen vor allem die energiereichen – blauen – Anteile des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Da Silizium nur die roten Anteile des Sonnenlichts effektiv nutzt, lassen sich die beiden Materialien zu Tandemzellen kombinieren. Damit produziert ein Tandem-Modul auf der gleichen Fläche deutlich mehr Strom. Solche Tandemzellen können sinnvoll sein, wenn der Platz knapp ist, zum Beispiel auf Haus- oder Autodächern. Aktuell liegt der Weltrekord für den Wirkungsgrad solcher Silizium-Perowskit-Tandemzellen bei knapp 34 Prozent [2].“

„Aber auch reine Perowskit-Module könnten sich für bestimmte Anwendungen durchsetzen. So werden die Halbleiterfilme aus flüssigen Lösungen hergestellt. Auch biegsame oder gekrümmte Flächen dieser ultradünnen und leichtgewichtigen Zellen können damit zum Beispiel auf Folien beschichtet werden. Dadurch ergeben sich ganz neue Einsatzmöglichkeiten.“

Prof. Dr. Yana Vaynzof

„Es gibt eine Vielzahl von Einsatzgebieten, in denen Perowskit-Solarzellen Vorteile gegenüber Silizium-Solarzellen bieten. Beispielsweise sind 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. Ein weiteres Anwendungsgebiet, auf dem Perowskit-Solarzellen sich wahrscheinlich als überlegen herausstellen werden, ist das der ultradünnen, halbdurchsichtigen Solarzellen für smarte Fenster und bauwerkintegrierte Photovoltaik. Silizium-Solarzellen sind wuchtig und schwer, während Perowskit-Solarzellen dank ihrer exzellenten Fähigkeit zur Lichtabsorption auch ultradünn gefertigt werden können.“

Prof. Dr. Stefan Glunz

„Die größte Herausforderung für Perowskit-Solarzellen ist der Nachweis der Langzeitstabilität. Aktuelle kommerzielle Module haben Lebensdauern über 25 Jahren. Für einen kosteneffizienten und sinnvollen Einsatz müsste auch die neue PV-Generation ähnlich gute Werte erreichen.“

Prof. Dr. Ulrich Paetzold

„Forschende auf der ganzen Welt arbeiten momentan intensiv daran, Perowskit-Solarzellen in die Anwendung zu bringen und die verbleibenden Herausforderungen zu lösen. Die derzeit noch nicht ausreichende Stabilität ist eine möglicher ‚Showstopper‘ für die Perowskit-Photovoltaik. Konventionelle Silizium-Solarmodule werden mit mindestens 25 Jahren garantierter Leistung auf dem Markt angeboten. Dieser Benchmark ist extrem anspruchsvoll, es gibt kaum eine andere optoelektronische Technologie im Massenmarkt mit solch einer hohen Verlässlichkeit. Aufgrund der enormen internationalen Bemühungen bin ich aber optimistisch, dass die Herausforderungen in den kommenden Jahren gelöst werden können.“

Prof. Dr. Steve Albrecht

„Für bestimmte Nischenanwendungen gibt es bereits Perowskit-Solarzellen. Außerdem haben einige Anbieter schon Pilotproduktionslinien eingerichtet und wollen in den nächsten zwei Jahren PV-Module mit Perowskit-Anteilen auf den Markt bringen. In Anbetracht der sehr raschen Entwicklung halte ich das für durchaus realistisch.“

„Ein nächster großer Meilenstein der Forschung könnte die weitere Steigerung der Stabilität sein, insbesondere durch ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Degradationsprozesse. Ein weiterer Meilenstein wäre die Entdeckung neuer Perowskit-ähnlicher Verbindungen, die ähnlich gute Eigenschaften besitzen, aber intrinsisch deutlich stabiler sind.“

Prof. Dr. Yana Vaynzof

„Der Geschwindigkeit des Fortschritts in diesem Feld nach zu urteilen, könnten Perowskit-Solarzellen bereits im nächsten Jahrzehnt die Marktreife erreichen. Ein wichtiges Zwischenziel ist die Minderung ihrer Degradation, wodurch Lebenszeiten erreichbar werden, die vergleichbar mit denen von Silizium-Solarzellen sind. Andererseits ist die Kommerzialisierung im Rahmen spezieller Anwendungen, die nur eine kurze Lebenszeit voraussetzen, bereits in den kommenden Jahren denkbar.“

Prof. Dr. Stefan Glunz

„Viele der aktuellen Rekordwerte für Perowskit-Silizium-Tandemzellen kommen von europäischen Forschungsgruppen. Auch die erste Pilotproduktion dieser neuen Technologie wurde in Europa gestartet. Das zeigt, dass für die industrielle Umsetzung der nächsten Solarzellengeneration sehr gute Chancen für Europa bestehen.“

Prof. Dr. Ulrich Paetzold

„Europa hat ein in den letzten Jahren sehr kompetitives Technologiecluster aus Firmen, Forschungsinstitutionen und Universitäten im Bereich der Perowskit-Photovoltaik aufgebaut. Jetzt müssen zeitnah die Rahmenbedingungen für den Aufbau einer Solarmodulfertigung geschaffen werden. Der internationale Wettbewerb erlaubt kein Zögern.“

Prof. Dr. Steve Albrecht

„Die Herstellung von Perowskit-Halbleiterfilmen erfordert wenig Energie und keine seltenen Rohstoffe. Die Technologien zur kostengünstigen Aufskalierung sind in Grundzügen entwickelt. Weltweit arbeiten etwa ein Dutzend Unternehmen schon mit dem Material, einige sehr innovative Firmen haben ihren Sitz in Europa [3]. Auch die Forschung ist in Europa sehr stark, natürlich ist das eine Chance. Damit die europäischen Unternehmen im Wettbewerb mit China und den USA bestehen können, müssen aber auch die Rahmenbedingungen stimmen. Das Forschungsgebiet entwickelt sich sehr rasant und daher müssen auch lokale Firmen und Start-ups mit dieser rasanten Entwicklung mithalten können.“

Prof. Dr. Yana Vaynzof

„Das Voranbringen der Perowskit-Photovoltaik ist eine weltweite Bestrebung. Europäische Forschungszentren und Universitäten spielen eine Schlüsselrolle in der Entwicklung dieses Forschungsfeldes und sind dabei in einigen Themenfeldern führend. Die Perowskit-Solarzellen-Technologie kann Europa die außerordentliche Möglichkeit bieten, größere Unabhängigkeit in der Produktion von Erneuerbare-Energien-Technologien zu erlangen. Dies setzt voraus, dass europäische ForscherInnen ihre Bemühungen auf die noch ausstehenden Herausforderungen konzentrieren, welche die Kommerzialisierung derzeit noch verhindern.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Stefan Glunz: „Das Fraunhofer ISE kooperiert sowohl mit anderen Forschungsinstituten als auch Firmen im Forschungsfeld der Photovoltaik. Für die gegebenen Einschätzungen stellen die Kooperationen keinen Interessenkonflikt dar.“

Prof. Dr. Ulrich Paetzold: „Ich habe keine Interessenkonflikte. Das KIT kooperiert mit einigen nationalen und europäischen Herstellern, die Perowskit-Solarmodule oder Maschinen zur Herstellung der Technologie entwickeln. Ich bin in diese Projekte involviert, aber nicht an den Unternehmen beteiligt. Meine Forschungsgruppe generiert Schutzrechte und bereitet Ausgründungen vor, ich kann mich in dieser Stellungnahme aber unbefangen äußern.“

Prof. Dr. Steve Albrecht: „Es bestehen keine Interessenkonflikte. Zum Hintergrund: Das HZB hat Kooperationsverträge mit Oxford PV, Meyer-Burger und Qcells. Dies sind Hersteller, die Perowskit-Solarzellen oder Tandemsolarzellen mit Perowskit-Unterzellen zur Marktreife weiter entwickeln wollen und dafür auf Zusammenarbeit mit der Forschung setzen. In einzelne Entwicklungsprojekte bin auch ich involviert. Weder ich persönlich noch das HZB sind an diesen Unternehmen beteiligt. Aus meiner Forschungsgruppe gehen zwar immer wieder Patente und/oder Ausgründungen hervor, die aber für diese Stellungnahme keine Rolle spielen.“

Prof. Dr. Yana Vaynzof: „Es bestehen keine Interessenkonflikte.“

Literaturstellen, die von den Expertinnen und Experten zitiert wurden

[1] Khenkin M et al. (2024): The way to predict outdoor lifetime. Nature Energy. DOI: 10.1038/s41560-023-01419-0.

[2] pv magazine (06.11.2023): Longi meldet 33,9 Prozent Wirkungsgrad für Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle.

[3] Nature (29.11.2023): A new kind of solar cell is coming: is it the future of green energy?.

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] Bundesregierung (15.12.2023): Mehr Solarstrom, weniger Bürokratie.

[II] NREL (25.01.2024): Interactive Best Research-Cell Efficiency Chart.

[III] Science Media Center (25.01.2024): Perowskit-Solarzellen: Potenziale und Herausforderungen. Fact Sheet.

[IV] Oxford PV (27.07.2021): Oxford PV schließt den Ausbau seiner Fabrik in Brandenburg ab.

[V] pv magazine (17.05.2023): Q-Cells baut Pilotlinie für Perowskit-Silizium-Tandem-Photovoltaik in Südkorea.

[VI] Ingeneur.de (24.05.2023): Bill Gates setzt auf Perowskit: Neue Technologie für Solarzellen?.

[VII] pv magazine (18.02.2022): Chinese PV Industry Brief: Microquanta builds 12 MW ground-mounted project with perovskite solar modules.