Photovoltaikinnovation steigert Effizienz grüner Energie
Mit Photovoltaik (PV) lässt sich Strom nahezu ohne CO2-Äquivalent-Emissionen erzeugen, wodurch sie eine attraktive Lösung in Bezug auf grüne Energie darstellt. Gegenwärtig werden in Europa jedoch nur sehr wenige Solarzellen oder -module hergestellt, sodass Importe mitsamt ihren CO2-Fußabdrücken und Lieferrisiken erforderlich sind. „Es wird immer schwieriger, mit asiatischen Ländern, insbesondere China, bei der Herstellung von PV-Technologie zu konkurrieren. Das eigentliche Hindernis für die Einführung von PV-Lösungen sind jedoch meist nicht die technischen, sondern die politischen Prioritäten“, erläutert Uli Würfel, Koordinator des EU-finanzierten Projekts DIAMOND(öffnet in neuem Fenster). Die im Rahmen von DIAMOND erstellten druckbaren PV-Architekturen, die auf die Produktionsmaßstäbe erweiterbar sind, tragen dazu bei, die Reife der europäischen Lösungen zu verstärken.
Perowskit-PV-Design und Materialinnovationen
Die meisten Solarpaneele werden aus Silizium hergestellt, da es reichlich vorhanden und zuverlässig ist, aber Perowskite lassen sich problemloser verarbeiten und sind potenziell kostengünstiger. Für Photovoltaik geeignete Perowskite(öffnet in neuem Fenster) sind eine Klasse synthetischer kristalliner Materialien, die aus einer Reihe von Quellen wie Blei, Zinn, Brom und Chlor entstehen. Um die Haltbarkeit und den Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen zu erhöhen, ermittelte das Team von DIAMOND zunächst die beste Materialkombination für wichtige PV-Komponenten. Die Forschenden entwickelten Perowskit-PV-Bauelemente mit konventionellen Rückelektroden aus Metall und solchen auf Kohlenstoffbasis. Sie untersuchten außerdem den Einsatz von Absorbern auf Blei-Zinn-Basis, um den Bleigehalt zu verringern. Drei Schlüsselinnovationen wurden kombiniert, um der DIAMOND-Lösung mehr Stabilität als den bisherigen PV-Solarzellen zu verleihen. Zunächst wurde eine Rückelektrode auf Kohlenstoffbasis entwickelt, deren elektrische Kontakte die durch das Licht erzeugte Ladung sammeln und an externe Schaltkreise weiterleiten. „Bei diesen Varianten fällt die Langzeitstabilität im Vergleich zu konventionellen Metallelektroden besser aus“, ergänzt Würfel von der Fraunhofer-Gesellschaft(öffnet in neuem Fenster), an der das Projekt angesiedelt ist. Um die Verwendung von giftigem Blei zu verringern, wurden Sequestrierungsschichten aus einer neuartigen metallorganischen Gerüstverbindung entwickelt, die reich an chelatbildenden Gruppen ist und Blei-Ionen immobilisiert. Zu guter Letzt wurde mithilfe eines innovativen Designs die Solareinheit versiegelt. Diese sogenannte „hermetische Verkapselung“ gilt als kompliziert, da die Klebstoffe, die üblicherweise zum Verkleben der Glas-Solarpaneele dienen, die die temperaturempfindlichen Materialien einschließen, das Risiko von Verunreinigungen und Hitzeschäden erhöhen. „Wir haben den Klebstoff durch eine gedruckte Schicht aus Glasfrittenmaterialien ersetzt, die aufgeschmolzen werden, um sie mit den Glasplatten zu verbinden, wodurch sie mehr als 25 Jahre vor der Umwelt geschützt werden“, erklärt Würfel.
Höherer Umwandlungswirkungsgrad
Tests zum Vergleich des DIAMOND-Umwandlungswirkungsgrads, der besagt, wie viel Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt wird, mit Siliziumphotovoltaik lieferten ermutigende Ergebnisse. Bei der Perowskitsolarzelle mit einem gemischten Absorber aus Blei und Zinn wurde ein Umwandlungswirkungsgrad von 25,86 % realisiert, während die Perowskitsolarzelle mit einer Rückelektrode auf Kohlenstoffbasis einen Umwandlungswirkungsgrad von 21,5 % erreichte (22,9 % kurz nach Projektabschluss). Bei Mini-Solarzellenmodulen (Paneelen) wurde ein Umwandlungswirkungsgrad von 23,28 % auf einer Fläche von 29 cm2 erzielt. Ein größeres Modul mit einer Fläche von über 100 cm2 und einer Rückelektrode auf Kohlenstoffbasis, die in Luft (im Gegensatz zu teuren inerten Atmosphären wie Stickstoff) verarbeitet wurde, erreichte einen Umwandlungswirkungsgrad von über 18 %. „Erfreulich ist für uns auch, dass mit einem Umwandlungswirkungsgrad der Solarzellen von knapp über 27 % der Weltrekord für kristalline Siliziumsolarzellen zum Zeitpunkt der Vorschlagseinreichung übertroffen werden konnte“, berichtet Würfel.
Nachhaltig per Design
Das Team suchte nach Bauelementebauformen, Komponenten und Verfahren mit dem kleinsten CO2-Fußabdruck und dem höchsten Recyclingpotenzial. So wurde beispielsweise bei der Modulfertigung jede Schicht auf ihre potenziellen Umweltauswirkungen hin untersucht, wobei ein vollständig recycelbares Modul als Konzeptnachweis angefertigt wurde. „Unsere Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der Perowskit-PV-Technologie, die, wenn sie auf die Industrie übertragen wird, neue Arbeitsplätze schaffen und die Abhängigkeit von PV-Paneel-Importen und letztlich der Energie selbst senken wird“, schließt Würfel. Zu diesem Zweck vergrößert das Team nun seine PV-Module, während es gleichzeitig die Umwandlungswirkungsgrade und die Betriebslebensdauer weiter optimiert.