Solarzellenforscher haben es schwer. Sie müssen sich entscheiden, ob sie die Solarzellen lieber günstig herstellen wollen. Dann müssen sie Abstriche beim Wirkungsgrad machen. Oder sie entscheiden sich für eine höhere Effizienz – und treiben damit auch die Kosten in die Höhe. An einer Wahl kamen sie bislang nicht vorbei, denn Solarenergie ist gefragt, und die Nachfrage muss gestillt werden. 2012 waren weltweit Fotovoltaikanlagen mit einer Nennleistung von etwa 101 Gigawatt installiert. Und doch gilt immer noch: Solarenergie ist teuer, und die Zutaten sind rar. Die weit verbreiteten Siliziumzellen verbrauchen viel Energie in der Produktion, während Dünnschichtzellen auf seltene Rohstoffe wie Indium und Tellur angewiesen sind.

Nun jedoch setzt die Branche große Hoffnungen in ein Material, das günstiger sein könnte als Silizium, darüber hinaus keine seltenen Rohstoffe als Zugabe benötigt und dennoch einen guten Wirkungsgrad verspricht: Perowskit. Darunter verstehen Forscher alle Materialien, die dieselbe Kristallstruktur aufweisen wie das Mineral Kalziumtitanat. Viele zählen zu den Halbleitern und sind seit über 100 Jahren bekannt. Doch bis vor wenigen Jahren kam niemand auf die Idee, sie in Solarzellen auszuprobieren.

Erst zwischen 2006 und 2008 setzten japanische Forscher um Tsutomu Miyasaka von der Toin-Universität Yokohama einen Perowskit als Rohmaterial in Zellen ein – der Ausgangsstoff enthielt unter anderem Stickstoff, Blei und Jod. Sie erreichten damit zunächst einen enttäuschenden Wirkungsgrad von gerade einmal 0,4 bis 2 Prozent. Doch das änderte sich schnell: Schon ein Jahr darauf gelangen ihnen 3,5 Prozent. Miyasaka und seine Kollegen gingen an die Öffentlichkeit – und lösten einen Sturm der Begeisterung aus. Gerade erst wählte das Fachmagazin "Science" die Technik zu einem der "Durchbrüche des Jahres 2013".

Noch im September hatten Forscher um Henry Snaith von der Oxford University berichtet, dass ihnen mit ihrer Perowskitvariante unter simuliertem Sonnenlicht im Labor ein Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent gelang [1] – in der Forschung gilt diese Steigerung innerhalb von vier Jahren als Sensation.

Solarzelle aus dem Oxforder Labor
© Boshu Zhang, Wong Choon Lim Glenn & Mingzhen Liu, University of Oxford
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Hauchdünn ist der Film aus Perowskit, den die Forscher um Henry Snaith mittels Gasphasenabscheidung auf einer Glasplatte erzeugten, das Material bleibt dadurch zu einem gewissen Grad sogar durchsichtig. Die Effizienz dieser Solarzelle liegt bei 15 Prozent.

Denn bei Siliziumzellen dauerte ein ähnlicher Fortschritt mehr als ein Vierteljahrhundert. "Es kommt relativ selten vor, dass neue Materialien in so kurzer Zeit einen so hohen Wirkungsgrad erreichen", sagt Thomas Kirchartz, Fotovoltaikforscher am Forschungszentrum Jülich. Kirchartz selbst arbeitet noch nicht mit dem Material – doch auch er ist von den Ergebnissen beeindruckt: "Es ist noch zu früh, zu sagen, wie sich die Technik entwickeln wird, aber wir können sicher schon von einer echten Innovation sprechen, die zumindest das Potenzial hat, die Fotovoltaik nachhaltig zu verändern."

Was macht Perowskite so besonders?

Was macht die Perowskite so besonders? Dazu reicht ein Blick in die Funktionsweise der Solarzellen: Sie absorbieren Licht. Die Photonen des Lichts regen Elektronen zur Bewegung an. Um einen elektrischen Stromkreislauf zu kreieren, müssen die Elektronen dabei in eine Richtung gelenkt werden. Dies geschieht meist, indem man Solarzellen aus zwei unterschiedlich "dotierten" Halbleitern herstellt. Das eine Material hat einen Überschuss an positiven Ladungsträgern, das zweite einen an negativen. Die Elektronen werden dadurch gleichsam in der ersten Schicht angeschubst und von der zweiten angezogen. An der Schnittstelle zwischen beiden baut sich ein inneres elektrisches Feld auf. Nun muss man dort nur noch Metallkontakte anbringen, schon hat man den Stromkreis.

Perowskite sind deshalb so gut, weil sie offenbar die Lichtenergie bestens absorbieren und gleichzeitig hohe Diffusionslängen aufweisen – die Distanz, die ein Elektron zurücklegt, bevor es seinen angeregten Zustand verliert und wieder Teil der Kristallbindungen wird, ist bei ihnen also besonders groß. Bei einigen anderen Materialien ist das zwar ebenso der Fall, aber keines von ihnen lässt sich ohne hochgiftige Lösungsmittel bei Raumtemperatur herstellen.

Das Perowskit, das Henry Snaith und sein Team von der Oxford University vorstellten, ist besonders raffiniert: Es besteht sowohl aus einem organischen als auch aus einem anorganischen Teil. Der organische enthält Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff, der anorganische hingegen Blei, Jod und Chlor. Und während ersterer als Farbstoff besonders viel Sonnenlicht absorbiert, leitet letzterer die Elektronen besser.

Beide Materialien sind keineswegs exotisch und überdies einfach in der Herstellung. Silizium etwa muss bei hohen Temperaturen bearbeitet werden, die Perowskitzellen hingegen lassen sich schon bei Zimmertemperatur erzeugen. Snaith rechnete vor, dass die Zellen etwa 30 Cent pro Watt an Herstellungskosten verursachen würden.

Spottbillig – in der Theorie

In der Massenherstellung würde der Preis sogar noch weiter sinken. Einige Wissenschaftler, die an Perowskiten forschen, glauben, dass langfristig sogar 10 bis 20 Cents möglich wären, während heutige Solarzellen meist mit Preisen zwischen 0,70 Euro und 1,10 Euro pro Watt zu Buche schlagen. Laut dem amerikanischen Energieministerium liegt die kritische Grenze bei 35 bis 40 Cent pro Watt Nennleistung. Ab diesem Preis könnte Fotovoltaik – je nach Standort – mit fossilen Brennstoffen mithalten.

Noch sind solche Rechnungen mit Vorsicht zu genießen. Die Perowskitmaterialien lassen sich zwar in einem Druckverfahren auftragen, "die flächenbezogenen Kosten einer zukünftigen Fertigung sollten deswegen vergleichsweise niedrig sein", sagt Kirchartz. "Wenn man allerdings gerade anfängt, so ein Material zu erforschen, dauert es mitunter zehn Jahre, bis die Technik optimiert ist – es macht daher wenig Sinn, die endgültigen Kosten jetzt schon hochzurechnen. Niemand weiß zum Beispiel, wie sich die Rohstoffpreise bis dahin entwickeln."

Außerdem stehe die Stabilität des Materials noch nicht fest: Bisher gibt es erst wenige relevante Studien dazu [2]. Forscher um Michael Grätzel von der École Polytechnique Fédérale in Lausanne wiesen nach, dass ihre Perowskitzellen nach 500 Stunden bei 45 Grad Celsius im Labor etwas weniger als 20 Prozent an Effizienz einbüßen. "In der Praxis sollten sie derartige Einbußen erst nach mindestens zehn Jahren aufweisen", gibt Kirchartz zu Bedenken. Es bestehe also noch reichlich Entwicklungsbedarf.

Wirkungsgrad jenseits der 20 Prozent?

Was die reine Effizienz angeht, dürfte sich in den nächsten Jahren sicher noch einiges tun. Solarzellenforscher Grätzel erklärte, dass er bei seinen Solarzellen den Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent noch auf 20 bis 25 Prozent steigern könnte – das entspricht etwa den Werten der gegenwärtigen Zellen auf dem Markt.

Michael Grätzel mit Solarzelle
© Alain Herzog, EPFL
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Viel mehr ginge auch kaum. "Es gibt eine Obergrenze von etwas über 30 Prozent für nicht kombinierte Zellen", sagt Andreas Hinsch vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg. "Wenn man es also auf 20 bis 25 Prozent schafft – und das halte ich für durchaus realistisch – wird es dünn. Um dann noch höher zu kommen, dürfte es sehr aufwändig werden."

Hinsch sieht die Chancen für Perowskit vor allem als Ergänzung zu den Siliziumzellen, nicht unbedingt als deren Ablösung. Siliziumzellen werden in den nächsten Jahren wahrscheinlich noch weitaus günstiger zu haben sein – der Kostenvorteil von Perowskit wäre dann schon dahin, bevor sich das Material überhaupt als marktreif erweist. Dann könnte es sinnvoll sein, beide – Silizium und Perowskit – zu kombinieren. "Für ein Tandem braucht man zwei gute Partner, die genau aufeinander abgestimmte Absorptionskoeffizienten haben", sagt Hinsch. "Bisher gab es keine derart geeigneten Partner für Silizium. Perowskit kommt so nahe an die Werte von Silizium heran, dass ein Tandem sehr wahrscheinlich funktionieren würde." Da Perowskit sehr dünn ist, könnte es auf das Silizium problemlos aufgetragen werden.

"Ein Tandem mit Silizium würde sehr wahrscheinlich funktionieren" (Andreas Hinsch)

Perowskit lässt sich genau genommen in einer Stärke von nur einen Mikrometer auftragen – es fängt dennoch die gleiche Sonnenmenge auf wie etwa 180 Mikrometer dicke Siliziumzellen. Das macht das Material nicht nur äußerst biegsam, sondern auch potenziell durchsichtig – die Oxforder Forscher erklärten, dass man es theoretisch sogar auf Fensterglas auftragen könne. "Dafür eignen sich allerdings Polymere, die das Nahinfrarotlicht absorbieren, sicherlich besser", sagt Thomas Kirchartz. "Das Licht würde weiß bleiben – bei Perowskit hätte man deutlichere Lichtverluste."

Elementares Problem

Als ein größeres Manko des neuen Materials könnte sich der Bleianteil erweisen. Gary Hodes vom Weizmann Institute of Science schrieb in der Zeitschrift "Science" [3], dass man für die Produktion von Perowskitsolarzellen mit einer Gesamtleistung von 1000 Gigawatt pro Jahr etwas weniger als 10 000 Tonnen Blei benötigen würde – das wäre wenig im Vergleich zu den vier Millionen Tonnen pro Jahr, die weltweit in Bleiakkumulatoren verbaut werden. Dennoch sind die Forscher nervös. "Der Bleianteil ist zwar verhältnismäßig gering, aber die Gefahr besteht, dass die Politik irgendwann eine Richtlinie durchsetzt, die Blei aus Solarzellen verbannt", sagt Kirchartz. "Daher ist es sinnvoll, sich nach Alternativen umzusehen. Eine Möglichkeit ist, Blei durch Zinn zu ersetzen; allerdings gibt es noch keinerlei Veröffentlichungen, die mir bekannt wären."

Weitere Ansätze stehen wahrscheinlich schon längst in den Startlöchern, aber in der Wissenschaft dauert es bekanntlich Monate, bis es eine Idee in die Fachjournale schafft. Eine gute Portion Geduld ist also gefragt, so viel versprechend Perowskite auch sein mögen.