Weltrekord! Aber es ist doch gar kein Olympia? Das stimmt, aber einen neuen Weltrekord gibt es trotzdem, und zwar bei der Effizienz von Solarzellen.
Solarzellen sind als erneuerbare Energietechnologie für die Bekämpfung Klimawandels besonders wichtig. Bekanntlich wandeln sie die Energie des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie um. Je nach ihrer Effizienz können sie das allerdings nur zu einem gewissen Teil. Der Rest wird in andere Energieformen umgewandelt, etwa in Wärmeenergie. Für die Stromerzeugung in der Solarzelle ist dieser Teil also verloren. Daher ist hohe Effizienz wichtig, um möglichst viel von der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrischen Strom umzuwandeln.
Mehr Leistung, niedrigere Kosten?
Neben der Verbindung ist an der Tandem-Solarzelle aber auch das Material bemerkenswert, aus dem die einzelnen Solarzellen bestehen. Für Solarzellen aus Perowskit reichen nämlich deutlich dünnere Materialschichten aus als beim häufig verwendeten Silizium. Das spart Materialkosten und macht die fertige Solarzelle sehr viel leichter. Gleichzeitig lässt sich Perowskit bei geringeren Temperaturen herstellen. Solarzellen aus Perowskit und organischem Material, die ohne Silizium auskommen, sind daher vielversprechend in Sachen Nachhaltigkeit. Trotzdem ist es noch ein langer Weg bis Solarzellen aus dem Labor aufs Dach kommen. Momentan wird vor allem daran gearbeitet, Perowskit-Solarzellen stabiler zu machen, da das Material sehr feuchtigkeitsempfindlich ist. Außerdem wird versucht, das Blei in der Perowskit-Verbindung durch weniger giftige Materialien zu ersetzen.
Einem Team von Wissenschaftler:innen ist nun genau das gelungen. Sie haben einen neuen Weltrekord von 24 Prozent für die Effizienz sogenannter Tandem-Solarzellen aufgestellt. Warum gerade diese Solarzellen? Weil nicht jede Solarzelle gleich ist. Vielmehr können sie aus einer Reihe von verschiedenen Materialien bestehen. Der zentrale Baustein in Solarzellen ist der sogenannte Halbleiter, also ein Stoff, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der von nicht leitfähigen Stoffen und von elektrischen Leitern liegt. Typischerweise kommt in Solarzellen Silizium als Halbleitermaterial zum Einsatz. Allerdings sind diese Solarzellen schon so weit optimiert, dass neue Forschung an alternativen Materialien an Fahrt aufnimmt, um langfristig noch höhere Effizienzen zu erreichen als mit Silizium. Woraus genau bestehen nun diese Tandem-Solarzellen? Konkret bestehen sie aus mehreren übereinander geschichteten Solarzellen aus organischem Material und Perowskit. Wegen dieses Aufbaus könnten sie sogar Effizienzwerte von über 30 Prozent erreichen, also mehr als das Maximum für eine einzelne Solarzelle. Jede einzelne Solarzelle kann nur einen gewissen Prozentsatz der Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln, abhängig von der Bandlücke des Halbleitermaterials. Baut man jetzt mehrere Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken übereinander, kann insgesamt mehr der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt werden.
Beim Perowskit purzeln die Effizienzrekorde
Was also beim Tischtennis-Doppel funktioniert, klappt auch bei Tandem-Solarzellen gut: Die unterschiedlichen Eigenschaften und Stärken beider Spieler beziehungsweise Solarzellen optimal kombinieren. Damit das gelingt, ist gute Kommunikation unabdingbar.
Bei der neu entwickelten Solarzelle der Wissenschaftler:innen sorgt dafür eine 1,5 Nanometer dünne Schicht aus Indiumoxid, die beide Solarzellen elektrisch und optisch miteinander verbindet. Die Entwicklung dieses sogenannten Interconnects war entscheidend, um die Verluste innerhalb der Tandem-Solarzelle so gering wie möglich zu halten und den neuen Weltrekord in Effizienz aufzustellen.
Die Fortschritte auf dem Gebiet der Perowskit-Solarzellen sind rasant. Seit dem ersten Modell, das 2009 vorgestellt wurde und eine Effizienz von 3,8 Prozent erreichte, gibt es fast jährlich neue Effizienzrekorde. Langfristig besteht die Chance, dass Perowskit-Solarzellen eine nachhaltige und günstige Alternative zu Silizium-Solarzellen werden.
