„Wichtiger Meilenstein für Perowskitsolarzellen“

Die meisten Solarzellen bestehen heute aus dem Halbleitermaterial Silizium. Doch seit einigen Jahren entwickelt sich die Materialklasse der Perowskite zu einer möglichen Alternative, um Solarzellen – bei vergleichbarem Wirkungsgrad – effizienter und auch günstiger herzustellen. Auf diesem Weg gelang Forschern aus Lausanne und Tübingen nun ein großer Schritt nach vorne. In der Fachzeitschrift „Science“ berichtet das Team, wie es die Stabilität von Perowskitsolarzellen deutlich steigern konnte. Welt der Physik sprach mit Michael Grätzel von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne über diesen Fortschritt und seine Bedeutung für eine zukünftige Produktion von Perowskitsolarzellen.

Porträt des Wissenschaftlers
Michael Grätzel

Um was für ein Material handelt es sich bei Perowskiten überhaupt?

Michael Grätzel: Perowskit ist ein Mineral mit einer bestimmten Kristallgitterform, das bereits vor 180 Jahren entdeckt wurde. Die Perowskite, die in Solarzellen intensiv untersucht werden, sind Halogenide. Erst in den letzten paar Jahren sind die guten photovoltaischen Eigenschaften dieser Perowskite entdeckt worden. Bekannter sind die supraleitenden Oxide, welche auch die Perowskitstruktur aufweisen.

Welche Vorteile haben Perowskite gegenüber Silizium in Solarzellen?

Solarzellen mit Perowskiten sind direkt aus den Farbstoffsolarzellen hervorgegangen. Sie sind verblüffend effizient: Innerhalb weniger Jahre stieg ihr Wirkungsgrad von 3 bis über 22 Prozent. In einer Zelle braucht man sehr wenig Material, um das Sonnenlicht zu absorbieren – etwa 300- bis 1000-mal weniger als in Siliziumzellen. Die Schichtdicke der Perowskite misst nur 300 bis 400 Nanometer und man kann sie aus einer Lösung auf den elektrisch leitenden Glasträger auspinseln. Das ist schon sagenhaft. Zudem müssen die Perowskite nicht ultrarein sein. Rohlinge von Siliziumzellen werden bei der Fertigung mit einer Säge zerschnitten, das ist schon ein archaischer Prozess. Mit Perowskiten ist das nicht nötig. Auch in der Energiebilanz ist die Fertigung viel effizienter. Siliziumzellen brauchen ein bis zwei Jahre, um die für die Produktion benötigte Energie zu gewinnen. Bei Perowskitzellen sind das höchstens einige Monate.

Und warum eignet sich diese Materialklasse so gut für Solarzellen?

Die Physik der Perowskite ist eine Besonderheit. Elektrische Ladungsträger – Elektronen und Elektronenlöcher – können sich einige Hundert Nanometer frei bewegen. Dank dieser langen Diffusionslängen braucht man sich keine Sorgen zu machen, dass sich nicht genügend Ladungsträger zur Stromproduktion einfangen lassen. Die sonst störende Rekombination der Ladungsträger ist deutlich geringer als bei anderen Materialien. Das ist ein wesentlicher Grund für die hohen Wirkungsgrade über 20 Prozent.

Schwarzbrauner computerchipähnlicher Prototyp
Prototyp der neuen Solarzelle

Aber reif für die Massenproduktion sind Perowskitzellen noch nicht, oder?

Richtig. Das Hauptproblem ist noch die Stabilität der Zellen. Unter Lichteinfall oder bei Feuchtigkeit zersetzt sich das Material und die Stromausbeute sinkt deutlich. Das sind wir in unserer aktuellen Arbeit zusammen mit Kollegen von der Universität Tübingen angegangen. Am Anfang, vor wenigen Jahren, sah es noch ganz schlimm aus, aber die Forschung hat große Fortschritte gemacht. Die Nutzung von Cäsium zusammen mit Formamidinium in den Perowskiten ist hier sehr wichtig. Das ist derzeit „State of the Art“. Aber auch die Kontaktmaterialien können sehr schaden und zur Zersetzung der Perowskitzelle beitragen.

Sie haben nun ein neues Material für die Leitung elektrischer Ladungsträger genutzt. Was unterscheidet diesen Lochleiter von bisher eingesetzten?

Der Lochleiter erster stabilerer Zellen anderer Arbeitsgruppen besteht aus einem organischen Material, das jedoch sehr teuer ist und Dotierungsstoffe benutzt, welche der Stabilität schaden. Wir haben stattdessen Kupferthiocyanat verwendet, das nicht 500 Dollar, sondern nur 50 Cent pro Gramm kostet. Das ist ein Halbleiter mit hervorragenden optischen Eigenschaften, den man zudem nicht dotieren muss. In ersten Versuchen waren auch diese Zellen wenig stabil. Aber dann entdeckten wir, dass Kupferthiocyanat gar nicht wie vermutet zu zerstörerischen Wechselwirkungen mit dem Perowskit führte, sondern mit den Kontakten aus Gold, die als Stromabnehmer wirkten. Mit einer dünnen Zwischenschicht aus oxidiertem Graphen konnten wir das vermeiden. Ergebnis waren Zellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 20 Prozent, die unter voller Sonnenbelichtung über 1000 Stunden lang bei 60 Grad Celsius weniger als fünf Prozent Verlust zeigten. Das ist ein Standardtest für solche Solarzellen.

Was bedeutet das für die weitere Entwicklung von Perowskitsolarzellen?

Wir konnten einen wichtigen Meilenstein erreichen und damit einen großen Fortschritt zur Stabilisierung der Perowskitsolarzellen unter operationellen Bedingungen erzielen. Das gibt Anlass zu Optimismus – eine hohe Stabilität muss prinzipiell überhaupt kein Problem mehr darstellen. Aber natürlich sind noch weitere Arbeiten bis zur Serienreife notwendig. Der von uns erreichte hohe Wirkungsgrad wurde auch dank eines verbesserten Depositionsverfahrens erreicht, bei dem sich dünne kristalline Schichten bildeten. Es war ganz wichtig, das für Kupferthiocyanat hinzubekommen. Und schließlich würde man das Gold in den Solarzellen auch durch ein anderes Material ersetzen.

Schwarz-weiße Mikroskopaufnahme, auf der oben eine bröckelige Schicht und darunter ein glatte abgebildet sind
Mikroskopaufnahme der Solarzelle

Waren Ihre Ergebnisse auch reproduzierbar?

Das waren sie in der Tat. Denn mit guten Einzelstücken und sonst viel Ausschuss würde man es auch nicht in eine Fachzeitschrift wie „Science“ schaffen. Zeitschriften von diesem Niveau verlangen schon nach einer guten Statistik. Die Schwankungen im Wirkungsgrad waren bei uns sehr klein, nur etwa fünf Prozent. Zusätzlich haben wir diese Erfindung auch zum Patent angemeldet.

Welche Hürden müssen noch genommen werden vor einer Pilotfertigung?

Noch ist die Entwicklung der Perowskitsolarzellen längst nicht abgeschlossen. Aber wir haben einen wichtigen Durchbruch erzielt, denn die Ergebnisse mit Kupferthiocyanat als Lochleiter sehen sehr gut aus. Für Solarzellen, die 25 Jahre lang hohe Wirkungsgrade im Einsatz zeigen, müssen aber noch viele weitere Tests gemacht werden. Interessant ist auch der Einsatz von Perowskiten in einer Tandemzelle, kombiniert etwa mit einer Siliziumzelle. Damit lässt sich das Sonnenspektrum besser zur elektrischen Energiegewinnung nutzen und der Wirkungsgrad steigern, vielleicht sogar bis über 30 Prozent unter einer bestimmten spektralen Verteilung des Sonnenlichts.

Wo sehen Sie die Bedeutung von Perowskiten für die Solarzellfertigung in zehn Jahren?

Perowskite werden ihren Weg als neue und vielversprechende photovoltaische Technologie gehen. Ob dann schließlich ein riesiger Markt für solche Zellen entsteht, weiß man heute noch nicht. Auch ich bin da vorsichtig. Aber die Forschung geht vehement weiter. Pro Jahr werden gegenwärtig etwa 2000 Arbeiten zur Perowskitsolarzellen veröffentlicht, vor fünf Jahren konnte man die jährlichen Arbeiten an einer Hand abzählen. Immer wieder tauchen neue vielversprechende Befunde auf und auch die Physik dieser Verbindungsklasse ist sehr interessant. Neben Solarzellen könnten Perowskite beispielsweise zu neuen Lichtquellen, vergleichbar mit einer Leuchtdiode, führen.