Höhere Spannung aus Perowskit-Solarzellen

Peking (China)/Oxford (Großbritannien) - Silizium dominiert heute den Markt der Solarzellen. Gut 90 Prozent aller installierten Solarmodule bestehen aus diesem Halbleitermaterial. Im Labor überwand der Wirkungsgrad der besten Prototypen bereits die 26-Prozent-Schwelle. Doch Solarzellen aus Perowskit-Kristallen holen mit großen Schritten auf. Wirkungsgrade von deutlich über 20 Prozent haben sie bereits erreicht. Nun optimierten chinesische und britische Wissenschaftler den Aufbau von Perowskit-Solarzellen weiter. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, konnten sie die für die Nutzung der Zellen wichtige Leerlaufspannung auf einen Rekordwert von 1,21 Volt bei 21,51 Prozent Wirkungsgrad steigern. Je höher die Leerlaufspannung einer Solarzelle ist, desto mehr nutzbare, elektrische Leistung kann sie bereitstellen.

Verantwortlich für diese guten Eigenschaften war eine ausgeklügelte Stapelung der lichtaktiven und stromleitenden Schichten innerhalb der Solarzelle. Riu Zhu von der Peking University und Henry J. Snaith von der University of Oxford griffen hierzu zu einem bekannten Rezept für herkömmliche Perowskit-Zellen: Auf einer elektrisch leitfähigen, aber dennoch durchsichtigen Schicht aus Indiumzinnoxid ließen sie aus einer flüssigen Lösung Perowskit-Kristalle wachsen. Auf diese gut einen halben Mikrometer dicke Lage ergänzten sie eine zusätzliche, nur wenige Nanometer dünne Schicht aus Guanidinbromid. Dieses Salz einer organischen, stickstoffhaltigen Säure bedeckten sie mit weiteren elektrisch leitfähigen Lagen aus Kohlenstoff und Kupfer.

Zhu und Kollegen fertigten insgesamt 200 Prototypen dieser optimierten Perowskit-Solarzelle und untersuchten ihren Aufbau mit mehreren spektroskopischen Verfahren. Testmessungen mit künstlichem Sonnenlicht belegten den hohen Wirkungsgrad von über 21 Prozent bei einer Leerlaufspannung von 1,21 Volt. Die ergänzte Guanidin-Schicht spielte dabei eine zentrale Rolle. Sie leitete die nach dem Einfall von Sonnenlicht in den Perowskit-Kristallen erzeugten Elektronen effizient an eine Elektrode weiter. Die unerwünschte Verknüpfung von negativ und positiv geladenen Ladungsträgern – die Rekombination von Elektronen und Elektronenlöchern – wurde dadurch besser vermieden als bei Perowskit-Solarzellen ohne eine Guanidin-Schicht. Zudem zeigten die Prototypen eine gute Haltbarkeit und hielten ihren hohen Wirkungsgrad über viele Stunden konstant.

Solarzellen im Labor sind jedoch nur der erste Schritt auf dem Weg zu einer industriellen Fertigung von Solarmodulen. Dieses Ziel wurde für Perowskit-Solarzellen bisher noch nicht erreicht, wird aber beispielsweise vom Unternehmen Oxford PV, mitgegründet von Henry J. Snaith, intensiv verfolgt. Die Firma favorisiert aber nicht Solarzellen ausschließlich auf Perowskit-Basis. Oxford PV setzt vielmehr auf Tandemzellen mit einer Kombination aus Silizium und Perowskit. Diese können ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts in elektrischen Strom wandeln als jeder Zelltyp für sich alleine. Erst diese Woche erreichte ein neuer Prototyp einer Tandemzelle einen Rekordwirkungsgrad von stolzen 27,3 Prozent. Für die Pilotfertigung baute Oxford PV bereits eine Produktionsstätte in Brandenburg bei Berlin auf.