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Querschnitt-Darstellung einer Perowskit-Solarzelle

Perowskit-Solarzellen – Vorteile und Nachteile

Letzte Aktualisierung am 22. November 2023 von Mika Lehmann

Bild von AA+W – stock.adobe.com

Perowskit-Solarzellen haben aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und einiger weiterer Vorteile das Zeug dazu, den klassischen Solarzellen den Rang abzulaufen. Worum es sich bei den Perowskit-Solarzellen handelt, wie diese funktionieren und worin die Vor- und Nachteile liegen, darauf gehen wir in diesem Ratgeber ein.

Perowskit-Solarzellen – das Wichtigste auf einen Blick:

  • Perowskit-Solarzellen haben einen extrem hohen Wirkungsgrad
  • Das für diese Solarzellen verwendete Material weist eine kristallene Struktur auf
  • Die Module lassen sich vergleichsweise einfach, schnell und kostengünstig herstellen
  • Die Solarzellen können mit anderen Elementen kombiniert werden, beispielsweise zu Perowskit-Silizium-Solarzellen
  • Die Solarzellen sind empfindlich gegen Feuchtigkeit

Was sind Perowskit-Solarzellen?

Perowskit-Solarzellen bestehen aus dem Mineral Perowskit, welches eine Kristallstruktur aufweist, die wiederum hervorragende Eigenschaften ermöglicht.

Diese Solarzellen lassen sich in zwei Varianten unterscheiden:

  1. Einfache Perowskit-Solarzellen
  2. Perowskit-Solarzellen mit Kohlenstoff-Aufbau

Im Vergleich zu anderen Solarmodulen wie beispielsweise den Dünnschichtsolarzellen steht die Erforschung und Herstellung der Perowskit-Solarzellen noch relativ am Anfang. Erste Untersuchungen wurden erst im Jahr 2009 durchgeführt. Zunächst erreichten diese Solarzellen einen Wirkungsgrad von gerade einmal 4 Prozent. Inzwischen konnte dieser bis auf 25 Prozent gesteigert werden.

Einer der größten Vorteile der Perowskit-Solarzellen besteht in der einfachen und kostengünstigen Herstellung. Dies liegt vor allem daran, dass das Material in flüssiger Form aufgetragen wird.

Wie funktionieren Perowskit-Solarzellen?

Die Perowskit-Solarzellen funktionieren wie andere Varianten auch: Das Sonnenlicht wird durch den Absorber aufgenommen. Hierdurch werden die im Halbleiter befindlichen Elektronen gelöst. Der Elektronenleiter sorgt nun dafür, dass die Elektronen in die untere Elektrode weitergeleitet werden. Die Löcher, welche positiv geladen sind, gelangen wiederum zur oberen Elektrode. Hier finden Sie noch mehr Infos über Solarzellen:

Perowskit-Solarzellen – Vorteile und Nachteile

Im Vergleich zu anderen Solarzellen haben die Photovoltaik-Module aus Perowskit zahlreiche Vorteile. So erreichen sie beispielsweise einen hervorragenden Wirkungsgrad. Doch auch die Nachteile, die es derzeit noch gibt, sind nicht zu unterschätzen.

Welche Vorteile haben Perowskit-Solarzellen?

Abgesehen davon, dass Perowskitsolarzellen einen extrem hohen Wirkungsgrad erreichen, sowie schnell, einfach und kostengünstig herzustellen sind, haben sie einen erheblichen Vorteil, der dafür sorgt, dass diese Form der Solarmodule weiterhin ehrgeizig erforscht wird: das sogenannte Photonenrecycling. Das bedeutet, dass ein neues Photon entsteht, welches neue Elektronen freisetzt. Diese geniale Möglichkeit besteht bisher bei keinem anderen Solarmodul. Doch gerade in Zeiten, in denen Rohstoffe extrem sparsam eingesetzt werden müssen, bietet diese Variante ein hohes Zukunftspotenzial.

Der hohe Wirkungsgrad wird in der Regel dadurch erreicht, dass die Tandemsolarzellen verwendet werden. Dies ermöglicht eine solide Funktionsweise bei bester Ausbeute des Sonnenlichts.

Folgende Wirkungsgrade konnten im Rahmen der Forschung erreicht werden:

Oxford PV im Dezember 202029,52 Prozent (Perowskit-Silizium-Solarzelle)
Helmholtz-Zentrum (Berlin) im November 202129,80 Prozent (Perowskit-Silizium-Solarzelle)
Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie (CSEM) und Ecole polytechnique fédérale de Lausann (PFL) im Juli 202231,25 Prozent (Perowskit-Silizium-Solarzelle)

Im Vergleich dazu erreichen die meisten anderen Solarzellen in der Regel nur einen Wirkungsgrad, der zwischen 20 bis 25 Prozent liegt. Die Ausbeute aus dem Sonnenlicht fällt demzufolge deutlich geringer aus.

Welche Nachteile haben Perowskit-Solarzellen?

Demgegenüber stehen einige Nachteile. So kann es beispielsweise zu Problemen in der Stabilität kommen, da die Kristalle aus Perowskit nicht immer gleich wachsen. Außerdem fällt die Lebensdauer deutlich geringer aus als bei den Zellen, die aus Silizium hergestellt werden. Diese erreichen problemlos eine Lebensdauer zwischen 20 und 40 Jahren. Perowskit-Zellen werden derzeit maximal 20 Jahre alt. Allerdings sprechen auch hier die Forschungsergebnisse für sich. Diese besagen, dass auf längere Sicht hochwertige Zellen mit längerer Lebensdauer produziert werden können.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die noch jungen Module oft innerhalb der ersten Monate einen erheblichen Verlust an Effizienz haben. Dieser kann bei bis zu 10 Prozent liegen. Da für die Produktion auch giftige Materialien wie Blei eingesetzt werden und die Module zudem anfällig für Feuchtigkeitsschäden sind, gelten sie derzeit noch nicht als massentauglich.

Vor- und Nachteile der Perowskit-Solarzellen in der Übersicht:

Vorteile

  • Einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung
  • Hohe Leistung und extrem hoher Wirkungsgrad (Sonnenenergie wird optimal ausgenutzt)
  • Tandem-Zellen können problemlos gefertigt werden

Nachteile

  • Teilweise giftige Materialien wie Blei zur Herstellung verwendet
  • Anfällig für Feuchtigkeitsschäden
  • Leistungsverlust von bis zu 10 Prozent in den ersten Monaten
  • Vergleichsweise geringe Lebensdauer

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Welche Arten von Perowskit-Solarzellen gibt es und wie sind sie aufgebaut?

Die klassische Variante der Perowskit-Solarzellen besteht aus einem simplen Aufbau, welcher folgendermaßen aussieht:

Obere Elektrode -> Lochleiter -> Perowskit-Absorber -> Elektronenleiter -> untere Elektrode

Neben dieser Form gibt es auch noch die Tandemzellen, welche einen etwas anderen Aufbau haben. Hierbei kann es sich um die folgenden Modelle handeln:

  • Perowskit-CIGS-Solarzellen (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Zellen)
  • Perowskit-Silizium-Solarzellen
  • Perowskit-Perowskit-Zellen

Wie werden Perowskit-Solarzellen hergestellt?

Das Material wird in flüssiger Form aufgetragen, was die Herstellung nicht nur einfach, sondern auch besonders günstig macht. Die einzelnen Schichten können durch verschiedene Verfahren aufgetragen werden:

Drucken

Werden die Materialien aufgedruckt, geschieht dies entweder durch das Blade-Coating oder durch das Slot-Die-Coating. Das Blade-Coating wird auch als Rakelbeschichtung bezeichnet, während man das Slot-Die-Coating auch unter dem Begriff Schlitzdüsendruck kennt.

Aufdampfen

Ebenso ist es möglich, verschiedene Perowskit-Schichten aufzudampfen. Hierfür ist ein Vakuum notwendig. Die Materialien, aus denen der Absorber entstehen soll, werden nacheinander einzeln verdampft. Durch einen nass-chemischen Prozess können außerdem verschiedene Verdampfungstechniken miteinander kombiniert werden.

Wann können Perowskit-Solarzellen marktreif werden?

Experten gehen derzeit davon aus, dass wir Strom mit Perowskit-Solarzellen etwa ab dem Jahr 2024 produzieren können, denn ab da sollen die Solarzellen marktreif sein. Bis dahin müssen die Forscher und Entwickler jedoch ihr Bestes geben, um die letzten Fehler auszubügeln.

Fazit

Perowskit-Solarzellen gelten schon heute als die Zukunft, die den Solarmarkt revolutionieren soll. Die Zellen sind einfach und kostengünstig zu produzieren und sie erreichen einen extrem hohen Wirkungsgrad, den andere Varianten derzeit nicht erreichen. Da die Produkte jedoch noch sehr störungsanfällig sind, werden derzeit die letzten Fehler versucht zu finden. Einer der größten Vorteile der Perowskit-Solarzellen liegt in der Möglichkeit des Photonenrecyclings.

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