Solarzellen auf grüner Wiese, darüber blauer Himmel mit Wolken.

Hybridsolarzellen

Solarzellen sind in den vergangenen Jahren immer effizienter und günstiger geworden. Dieser Trend lässt sich aber noch fortsetzen, sind sich Photovoltaikforscher sicher und experimentieren unter anderem mit sogenannten Hybridsolarzellen, in denen man anorganische und organische Materialien kombiniert. Welche Vorteile und Möglichkeiten diese Zellen bieten, erläutert Bernd Rech vom Helmholtz-Zentrum Berlin.

Die Energie der Sonne auf der Erde optimal zu nutzen, ist das Ziel der Photovoltaikforschung. Zu diesem Zweck werden Solarzellen aus immer neuen Materialien und Materialkombinationen erforscht. Unabhängig von der genauen Zusammensetzung ist das Grundprinzip der Solarzelle aber immer gleich: Mithilfe von Halbleitermaterialien wird die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie umgewandelt. Das geschieht, indem Ladungsträgern im Material durch die Sonneneinstrahlung zusätzliche Energie zuführt wird.

Bernd Rech: „Das Sonnenlicht besteht aus Photonen, also Lichtteilchen. Diese regen Elektronen in dem Festkörpermaterial an, heben sie auf ein höheres Energieniveau.“

Dieses höhere Energieniveau liegt innerhalb des sogenannten Leitungsbandes. Denn anders als in einem einzelnen Atom, können Elektronen in Festkörpern nicht nur bestimmte Energiewerte annehmen, sondern Werte aus ganzen Energiebereichen – oder Energiebändern. Bei Halbleitern ist das sogenannte Valenzband mit Elektronen voll besetzt. Das Sonnenlicht hebt dann Elektronen aus diesem Energieband in das energetisch höher gelegene Leitungsband. Dieses ist nur teilweise mit Elektronen gefüllt. Daher können diese sich bewegen und somit Ladung transportieren. Im Valenzband bleiben positive Leerstellen oder Löcher zurück, die – ähnlich wie die negativ geladenen Elektronen – durch das Material wandern können.

Limitierte Wirkungsgrade

„Es entstehen Elektronen und Löcher, also positive und negative Ladungen, die dann zu Grenzflächen diffundieren und dadurch auch den elektrischen Strom aufbauen.“

Ein beliebtes Halbleitermaterial, mit dem auf diese Art Strom erzeugt werden kann, ist Silizium. Die meisten Solarzellen auf Hausdächern bestehen aus diesem Element. Doch wie bei allen Halbleitern, ist auch der Wirkungsgrad von Silizium begrenzt. Es kann also nur einen bestimmten Anteil des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln.

„Eine reine Siliziumsolarzelle ist aus prinzipiellen Gründen limitiert auf Wirkungsgrade im Bereich von 30 Prozent. Das heißt, wir werden damit kein Modul mit einem Wirkungsgrad von 35 Prozent bekommen. Da braucht es Partner.“

Foto des Forschers
Bernd Rech

Um möglichst hohe Wirkungsgrade zu erreichen, versuchen Forscher daher verschiedene Materialien geschickt zu kombinieren. Ein Ziel dabei ist es, möglichst alle Wellenlängen des Sonnenspektrums für die Stromerzeugung zu nutzen. Denn in jedem  Halbleiter regt nur Licht bestimmter Wellenlängen die Elektronen an. In organischen Materialien – also solchen, die Kohlenstoff enthalten – lässt sich durch die chemische Zusammensetzung genau beeinflussen, bei welchen Wellenlängen die Elektronen angeregt werden. Das haben sich Forscher aus Berlin und Potsdam zunutze gemacht. Die von ihnen entwickelte Solarzelle vereint zwei Siliziumschichten mit einer Schicht aus organischen Molekülen.

 „Zwei Solarzellen aus amorphem Silizium für das blaue und grüne Sonnenspektrum und die Organik übernimmt den roten Teil des solaren Spektrums. Auf diese Weise lassen sich die Materialien optimal kombinieren: Mit Wellenlängen von rund 400 bis 850 Nanometern nutzen sie das Sonnenspektrum nahezu vollständig aus.“

Nicht nur der Wirkungsgrad soll bei Solarzellen optimiert werden – sie sollen zudem günstig in der Produktion sein und sich aus möglichst wenig Material fertigen lassen. Auch in dieser Hinsicht bergen organische Materialien einen Vorteil. Denn bereits eine sehr dünne Schicht eines organischen Stoffs reicht aus, um viele Lichtteilchen zu absorbieren. Die Photonen regen also vergleichsweise mehr Elektronen an als in einem anorganischen Material gleicher Dicke.

„Stellt man Silizium als sehr dünne Schicht her, beispielsweise mit einer Dicke von hundert Nanometern, dann wird nur ein kleiner Teil des Sonnenlichts absorbiert. Ein organischer Halbleiter, der nur hundert Nanometer dick ist, absorbiert das Sonnenlicht dagegen komplett, zumindest für das Spektrum des Halbleiters.“

Aus organischen Materialien allein lässt sich derzeit jedoch keine effiziente Solarzelle herstellen. Wie effektiv eine Zelle ist, hängt nämlich auch davon ab, wie gut sich die Ladungsträger im Material bewegen können. In diesem Punkt sind anorganische Stoffe wie Silizium klar im Vorteil.

  „Also in den besten anorganischen Materialien haben die Ladungsträger Beweglichkeiten von über tausend Quadratzentimetern pro Voltsekunde. Das ist die Einheit, die wir als Physiker dafür verwenden. Und die ist in organischen Materialien um viele Größenordnungen kleiner.“

Solarzelle der Zukunft

Sogenannte hybride Perowskitsolarzellen kombinieren die Vorteile beider Materialarten. Forscher aus Oxford stellten 2013 eine solche Zelle mit Komponenten aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff sowie Komponenten aus Blei, Jod und Chlor vor. Während der organische Teil besonders viel Sonnenlicht absorbiert, leitet der anorganische die Elektronen besser.

„Diese Solarzellen sind derzeit in der Fachwelt mit das am meisten diskutierte Thema in der Grundlagenforschung, weil mit diesen Solarzellen innerhalb kürzester Zeit sehr hohe Wirkungsgrade erreicht wurden.“

In nur vier Jahren stieg der Wirkungsgrad der Perowskitzellen von knapp 2 auf 15 Prozent – für die Photovoltaikforschung ein blitzschneller Anstieg. Sie gelten daher als aussichtsreicher Kandidat für die Solarzellen von morgen. Doch für einen großen Durchbruch müsste zunächst das gesundheitsschädliche Blei in ihnen ersetzt werden. Eine Herausforderung, an der intensiv geforscht wird. Mit den richtigen Materialkombinationen ließe sich die Effektivität von Solarzellen in den nächsten Jahrzehnten noch enorm steigern.

„Also wenn wir heute von Wirkungsgraden auf Hausdächern von 17 bis 20 Prozent reden, dann gibt es eine gute Chance, dass wir 2050 Wirkungsgrade von 30 oder 35 Prozent auf unseren Hausdächern haben. Da ist also quasi noch ein Faktor zwei im Wirkungsgrad drin – langfristig sogar noch mehr. Die Thermodynamik würde sogar noch deutlich höhere Wirkungsgrade erlauben.“

Besonders dünne Solarzellen und auch die besten organischen Zellen bewegen sich derzeit bei Wirkungsgraden um zehn Prozent. Die hybride Solarzelle, die Rech und seine Kollegen in Berlin und Potsdam entwickelt haben, liegt mit 11,7 Prozent schon ein wenig darüber. Bei Perowskitzellen wurden im Labor sogar schon Wirkungsgrade von über 20 Prozent gemessen. Wie die Solarzelle der Zukunft genau aussehen wird, darauf will Rech sich nicht festlegen.

 „Ob wir rein anorganische Tandemzellen auch aus anderen Materialien haben werden, ob Silizium ersetzt wird, ob Silizium ein Teil der zukünftigen Solarzelle ist, das ist heute noch nicht sicher. Es ist für die nächsten Jahrzehnte noch sehr wahrscheinlich.“