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Herkömmliche Solarzellen, die überwiegend aus Silizium bestehen, sind seit langem der Eckpfeiler der Solarenergieerzeugung. Ihre Ineffizienz bei der Nutzung des Sonnenlichts in Verbindung mit den ressourcenintensiven Abbauprozessen hat Forscher*innen jedoch dazu veranlasst, nach alternativen Materialien zu suchen: Die Rede ist von Perowskiten.
Das Helmholtz-Zentrum in Berlin hat in Zusammenarbeit mit der Fakultät für Elektrotechnik der Universität Ljubljana Forschungsarbeiten zu einem vielversprechenden Material durchgeführt. Perowskit, eine Kristallstruktur, die sich durch beeindruckende Effizienzgewinne und einfache Synthese auszeichnet, birgt die Möglichkeit, die Solarenergielandschaft neu aufzustellen.
DAS POTENZIAL DER SOLARENERGIE
Die Solarenergie birgt ein immenses Potenzial als saubere, erneuerbare Energiequelle, die unsere Energielandschaft grundlegend verändern könnte. Durch die Nutzung der enormen Sonnenenergie können Solartechnologien wie Photovoltaikzellen und solarthermische Systeme Strom und Wärme erzeugen, ohne Treibhausgase auszustoßen.
Die Sonne bietet ein reichhaltiges und unerschöpfliches Energieangebot, was die Solarenergie zu einer nachhaltigen Lösung für die Deckung unseres wachsenden Energiebedarfs macht. Die Kostenwirksamkeit und die Effizienz der Technologie waren jedoch bisher ein limitierender Faktor für die breite Einführung von Solarenergie.
Die Ineffizienz von Silizium-Solarzellen
Herkömmliche Silizium-Solarzellen weisen einen typischen Wirkungsgrad von nur 20 bis 25 Prozent auf, wenn es darum geht, Sonnenlicht im kommerziellen Maßstab einzufangen. Abgesehen von diesem begrenzten Wirkungsgrad sind für die Gewinnung und Aufreinigung des Siliziums energieintensive Verfahren erforderlich, bei denen Temperaturen von über 1000 Grad Celsius erreicht werden müssen. Dies wirft Umweltbedenken auf und stellt eine Herausforderung für eine groß angelegte, nachhaltige Energieerzeugung dar.
Die Perowskit-Kristallstruktur stellt eine überzeugende Alternative zu Silizium dar. Im Gegensatz zu Silizium kann es leicht synthetisiert werden, sodass kein ressourcenintensiver Abbau erforderlich ist. Dieses neue Material zeichnet sich außerdem durch einen höheren Wirkungsgrad aus und kann in dünnen Schichten aufgetragen werden, wodurch es sich für verschiedene Anwendungen eignet – von Smart-Home-Geräten bis hin zu Aufdachanlagen.
Forscher*innen entschlüsseln die Vorteile von Perowskiten
Um die Überlegenheit von Perowskit gegenüber Silizium zu verstehen, erforschen Wissenschaftler*innen des Helmholtz-Zentrums seine Kristallstruktur. Perowskit ist ein vielseitiges Material, das durch die Kombination verschiedener Elemente oder Moleküle maßgeschneidert werden kann. Diese Flexibilität ermöglicht im Gegensatz zu Silizium eine einfache Verarbeitung bei annähernd Raumtemperatur und macht es energieeffizienter und ergiebiger als herkömmliche Methoden.
Bei der Herstellung von Perowskit-Solarzellen werden Techniken wie das Spin-Coating eingesetzt, bei dem eine Perowskit-Lösung abgeschieden und schnell kristallisiert wird. Im Gegensatz zu Silizium können Perowskit-Solarzellen direkt auf Oberflächen gedruckt werden, was eine Reihe von Möglichkeiten für eine groß angelegte Produktion eröffnet. Die Forscher*innen sind bestrebt, diese Verfahren für die kommerzielle Nutzung zu optimieren.
Zu den vielversprechendsten Fortschritten gehört die Entwicklung von Tandem-Solarzellen. Bei diesen werden Perowskit- und Siliziumschichten kombiniert, um das Sonnenspektrum besser nutzen zu können – dabei fängt Perowskit die sichtbaren Wellenlängen und Silizium das Infrarotlicht ein. Dieser synergetische Ansatz führt zu einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrads um fast 50 Prozent, was einen erheblichen Sprung bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie bedeutet.
Herausforderungen und Zukunftsaussichten
Diese Technologie birgt zwar ein immenses Potenzial, doch müssen vor einer breiten Einführung Herausforderungen wie Stabilitätsprobleme und Degradation bewältigt werden. Zum einen lassen sich Perowskit-Strukturen bei niedrigen Temperaturen leicht aufbauen, zum anderen zersetzen sie sich bei diesen aber auch leicht. Die Aufrechterhaltung der strukturellen Stabilität des Perowskit-Materials ist für die langfristige Leistung entscheidend. Außerdem kann die Bewegung von Ladungen durch das Perowskit-Material während des Betriebs der Solarzelle Defekte verursachen, die den Gesamtwirkungsgrad und die Stabilität der Zelle maßgeblich beeinträchtigen können.
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Die Wissenschaftler*innen erforschen zusätzlich Verkapselungsmethoden, um Perowskit-Strukturen vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Hitze, Sauerstoff und UV-Licht zu schützen. Kommerzielle Unternehmen wie Qcells und Oxford PV bemühen sich, diese Herausforderungen zu bewältigen, um Perowskit-Solarmodule mit hoher Effizienz und Stabilität auf den Markt zu bringen.
Insgesamt stellt die Perowskit-Forschung in der Solarzellen-Technologie einen erfolgversprechenden Schritt in Richtung effizienter, nachhaltiger und zugänglicher Solarenergie dar. Sofern die Forschung weiterhin die Herausforderungen meistern und die Produktionsverfahren verfeinern kann, könnten Perowskit-Solarzellen schon bald die Landschaft der erneuerbaren Energien neu definieren und eine leuchtende und nachhaltige Zukunft bringen.
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