Die Photovoltaik hat sich zu einer der wichtigsten Säulen im deutschen Energiemix entwickelt. Betrug im Jahr 2003 der Anteil an Solarstrom 0,1 Prozent, lag er im vergangenen Jahr bereits bei fast 17 Prozent. Tendenz weiter steigend. Mit einem Marktanteil von 90 Prozent dominieren Solarzellen aus hochreinen Siliziumkristallen die Photovoltaik-Branche. Doch die Siliziumtechnologie ist ausgereift, der theoretische Wirkungsgrad von maximal 28 Prozent weitestgehend erreicht. Für künftige Photovoltaik-Anwendungen sind dünne und elastische Solarzellen gefragt, die günstiger herstellbar und vielfältiger einsetzbar sind als der Marktführer. Die Entwickler von Solarzellen richten ihre Aufmerksamkeit zunehmend auf eine Materialgruppe kristalliner Halbleiter, deren Erforschung vor etwas mehr als 15 Jahren begann und innerhalb der vergangenen Jahre eine rasante Entwicklung vollzogen hat. Die Rede ist von den sogenannten Perowskiten. Solarzellen aus dieser organisch-anorganischen Verbindung können Sonnenlicht mittlerweile nahezu so effizient in elektrischen Strom umwandeln wie die besten aus Silizium. Werden Perowskite mit Silizium zu einer Tandem-Solarzelle kombiniert, erreicht die Zelle sogar Wirkungsgrade von 34 Prozent und mehr. Ein weiterer Pluspunkt: Perowskit-Kristalle kann man günstig und ohne viel Energieaufwand zu dünnen Schichten verarbeiten. Dadurch könnten sie überall dort verbaut werden, wo Silizium-Photovoltaik zu schwer oder zu starr ist, wie zum Beispiel an Fassaden, in Jalousien oder auf Autodächern. Lernen am Schicksal der CIGS-Solarzellen Doch warum ist trotz der Fortschritte die Kommerzialisierung von Perowskit-Photovoltaik bislang weitestgehend ausgeblieben? Und welche Schritte in Forschung und Entwicklung sind notwendig, damit diese Technologie sich auf dem Markt behaupten kann? Diesen Fragen ist eine internationale Forschergruppe nachgegangen. Ihr Fazit: Wissenschaft und Industrie müssen möglichst früh, idealerweise schon während der Entwicklungsphase eng zusammenarbeiten – also früher, als es bislang üblich ist. Die Wissenschaftler um Mirjana Dimitrievska von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) verglichen in ihrer in der Zeitschrift „Nature Energy“ publizierten Studie die Entwicklungen von Perowskit-Solarzellen und von Dünnschichtzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS-Zellen). An der CIGS-Photovoltaik wurde in den 2000er-Jahren intensiv geforscht; als Produkt scheiterte die Technologie allerdings. Dimitrievska und ihre Kollegen untersuchten die Hürden, die die CIGS-Solarzellen damals zu überwinden hatten, um den Transfer aus der Forschung in die Industrie zu bewältigen, und übertrugen diese auf die Herausforderungen, mit denen die Perowskit-Module derzeit konfrontiert sind. Effizienzsteigerungen sind weniger wichtig Zu Beginn des vergangenen Jahrzehnts befanden sich CIGS-Solarzellen in einem ähnlichen Entwicklungsstadium wie die Perowskit-Photovoltaik heute. Die Technologie galt als vielversprechend. Die Dünnschicht-Solarzellen verbuchten im Labor Wirkungsgrade von mehr als 20 Prozent. Aufgrund des aufwendigen Herstellungsverfahrens, der damit verbundenen hohen Kosten, aber auch wegen des rasanten Aufstiegs der Silizium-Photovoltaik seit 2011 schafften es CIGS-Zellen nicht aus der Prototyp-Phase. Und mit der Zeit verloren sowohl Forschung als auch Industrie das Interesse. Heute beschäftigen sich nur noch einzelne Unternehmen und Forschungsgruppen mit CIGS-Photovoltaik. Für die Materialforscher um Dimitrievska könnten Perowskit-Solarzellen in den kommenden Jahren in der Photovoltaikbranche eine nennenswerte Rolle spielen, vorausgesetzt, es ereilt sie nicht das gleiche Schicksal wie die CIGS-Zellen. Anhand der Lehren aus der CIGS-Photovoltaik haben sie eine Reihe von Empfehlungen für die Kommerzialisierung der Perowskit-Technologie formuliert. Für die Autoren ist von entscheidender Bedeutung, dass sich die Entwickler von Perowskit-Solarzellen weniger auf den Bau immer effizienterer Prototypen konzentrieren, sondern verstärkt mit fertigungs- und prozesstechnischen Fragen befassen. Für eine zuverlässige Technologie sei ein einheitliches, industriell kompatibles Design der Solarzellen genauso wichtig wie standardisierte Produktions- und Prüfverfahren. Reichlich Forschungsbedarf bestehe laut den Forschern noch bei der Verbesserung der Stabilität und der Erhöhung der Lebensdauer des Materials. Perowskit-Solarzellen reagieren nach wie vor empfindlich auf Feuchtigkeit und große Temperaturunterschiede. Dadurch erreichen die Zellen noch nicht die Langlebigkeit von Silizium-Solarzellen. Um die Lebensdauer von Solarzellen abzuschätzen und noch unbekannte Mechanismen verstehen zu können, welche diese begrenzen, werden die Module in beschleunigten Laborexperimenten möglichst realen Bedingungen ausgesetzt. Diese Tests sind standardisiert und werden von unabhängigen Prüfinstituten wie dem TÜV durchgeführt. „Bei diesen Tests ist ein Photovoltaik-Modul mitunter Temperaturen von bis zu 85 Grad Celsius, intensiver Bestrahlung sowie Wind und Wetter ausgesetzt“, sagt Eva Unger vom Helmholtz-Zentrum in Berlin. Diese Umwelteinflüsse können die Solarzelle instabil machen. Bei einer zu hohen Belastung brechen Ionen aus der Kristallstruktur des Perowskits heraus und können sich darin frei bewegen. Die umherwandernden Ionen können zu Spannungen im Material führen, die dann die Effizienz der Solarzelle verringern. So werden Perowskit-Solarzellen stabiler „Die Diffusion der Ionen kann aber auch dazu führen, dass das Material von selbst wieder ausheilt und die ursprüngliche Lichtumwandlungseffizienz nach einer Regenerationsphase bis zu einem gewissen Maß wiederhergestellt wird“, sagt Unger. Das liege daran, dass Perowskit-Kristallstrukturen viele Leerstellen aufweisen. Wenn das Material regeneriert, besetzen umherwandernde Ionen diese freien Plätze im Kristallgitter und werden dadurch wieder ans Gitter gebunden, wodurch die Spannungen im Material nachlassen können. Das wirkt sich wiederum positiv auf die Stabilität einer Solarzelle aus. Die Wissenschaftler stehen vor der Aufgabe, die Defektstellen und die vagabundierenden Ionen unter Kontrolle zu bringen. „Wir denken über Ansätze nach, die Selbstregeneration der Solarzelle zu nutzen, um langfristig für mehr Stabilität zu sorgen“, sagt Unger. Ein Ansatz dafür ist beispielsweise das gezielte Hinzufügen von weiteren Elementen in die Perowskit-Schicht. Die Beimischungen sollen die Ionen im Material binden und so die innere Struktur stabilisieren. Auf diese Weise sind Perowskit-Solarzellen deutlich robuster geworden als noch zu Anfangszeiten. „In den ersten Forschungsjahren begrenzte sich die Stabilität auf Minuten oder wenige Stunden, inzwischen ist man im Test bei mehreren Tausend Stunden angekommen“, sagt Michael Saliba vom Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart. „Mittlerweile bewähren sich Perowskit-Solarzellen in den gleichen standardisierten Testprotokollen wie Silizium-Module.“ Und auch bei der Skalierbarkeit der Perowskit-Solarzellen gibt es Fortschritte zu vermelden. Ein Vorreiter ist das chinesische Start-up „Renshine Solar“. Das Unternehmen produziert und vertreibt nach eigenen Angaben bereits 1,6 × 0,6 Meter große Perowskit-Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von 15 bis 20 Prozent. Bislang werden vor allem zentimetergroße Zellen gefertigt. „Die Schwierigkeit bei der Herstellung großer Perowskit-Solarzellenmodule ist es, die flüssige Lösung des Solarzellen-Materials möglichst homogen auf ein Substrat abzuscheiden, sodass das Perowskit in einer bestimmten Phase vorliegt und mit weniger Verunreinigungen auskristallisieren kann“, sagt Michael Saliba. Forschung und Industrie entwickeln Hand in Hand Renshine Solar hat zusammen mit Materialforschern der Universität Nanjing und den Experten vom Institut für Photovoltaik ein vielversprechendes Verfahren entwickelt. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, lassen sie nach dem Beschichtungsprozess dem noch feuchten, dünnen Perowskitfilm ausreichend Zeit, eine kristalline Phase zu bilden, bevor er in einen Ofen zum Trocken geschoben wird. Auch Saliba hält die Eingliederung solcher prozesstechnischen Arbeitsschritte in die Perowskit-Forschungsarbeit für essenziell, um die Technologie in die industrielle Fertigung transferieren zu können: „Die Ergebnisse der Publikation zeigen, wie eine enge Kooperation zwischen Industrie und Forschung die Perowskite aus der Entwicklungsphase hinausführen kann“, sagt Saliba. Ein weiterer wichtiger Aspekt zur Kommerzialisierung der Perowskit-Solartechnologie ist der Umgang mit dem darin enthaltenen Blei. Das Schwermetall kommt in den sogenannten Blei-Halogenid-Perowskiten vor, wenn auch nur in geringen Mengen. Diese Untergruppe der Perowskit-Materialklasse hat sich als besonders effiziente Solarzellen hervorgetan. Für derartige Systeme haben die Wissenschaftler eine Reihe von Verkapselungstechniken etabliert. Einerseits werden bei der Herstellung bleibindende Polymere hinzugemischt, sogenannte Schwermetallfänger. Andererseits werden die fertigen Solarzellen in Glas eingekapselt. Daneben arbeitet die Forschung an alternativen, bleifreien Systemen. Jedoch scheint selbst bei mangelnder Verkapselung die Blei-Leckage aus Perowskit-Solarzellen vernachlässigbar zu sein, schreiben Forscher um Markus Lenz von der Fachhochschule Nordwestschweiz im Journal „EES Solar“. Wiederbelebung der Solarbranche in Deutschland Die Wissenschaftler untersuchten in Feldstudien neun Monate lang den Bleigehalt in der Umgebung von installierten Perowskit-Solarmodulen mit verschiedenen Verkapselungen sowie von durch Umwelteinflüsse beschädigten Modulen. Bei den nicht mit Glas verkapselten Systemen maßen die Forscher Bleikonzentrationen im Boden, die die natürlichen Hintergrundwerte nur geringfügig überschritten hatten. Sogar im hypothetischen Worst-Case-Szenario, bei dem das gesamte Blei aus einer ein Mikrometer dicken Perowskitschicht in den Boden gelangen würde, wären nach den Schweizer Umweltvorschriften keine Maßnahmen nötig, wie die Forscher in ihrer Studie schreiben. Auch hierzulande gibt es Bemühungen, die Perowskit-Photovoltaik zur Marktreife zu führen. So wurde im Oktober vergangenen Jahres der Perowskit-Kompetenzcluster Baden-Württemberg gegründet, unterstützt mit circa 1,4 Millionen Euro von Bund und Land. Daran beteiligt sind drei Forschungseinrichtungen: das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, das Lichttechnische Institut am Karlsruher Institut für Technologie sowie das Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart. Der Forschungscluster bietet eine Plattform für Unternehmen, die sich mit Perowskit-Photovoltaik beschäftigen wollen. In gleicher Weise existiert die Innovationsplattform Solar TAP, ein Zusammenschluss von drei Helmholtz-Zentren. Das Ausgangsmaterial für Perowskit-Solarzellen liefert das Start-up „Perosol“, eine Ausgründung der Universität Stuttgart. Die Forschungsplattformen sowie die Start-ups sind Mittel und Wege, die der Industrie eine Hand reichen, um gemeinsam die Industrialisierung der Perowskit-Solarzellen voranzutreiben. Neben emissionsarmem Strom bietet die Dünnschicht-Photovoltaik aus Perowskit-Material insbesondere die Gelegenheit, die in Deutschland einst führende Solarindustrie wiederzubeleben. Doch dafür sind große Investitionen notwendig.