Perowskit-Solarzellen: Die Zukunft der Solarenergie?

Perowskit-Solarzellen auf Feld vor Sonnenuntergang
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Gute Nachrichten für all diejenigen, die besorgt um Mutter Natur sind. Denn Experten sind der Meinung, dass dieses Jahr noch mehr Haushalte auf Solarenergie umsteigen werden. Nicht zuletzt sind steigende Ölpreise sowie die Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) dafür verantwortlich.

In der Forschung wird derzeit sogar von der Revolution der Solarenergie gesprochen. Begründet liegt dies in aktuellen Forschungsarbeiten, die sich mit Perowskit-Solarzellen beschäftigen. Doch auch wenn Tests beeindruckende Ergebnisse liefern und erste Perowskit-Solarzellen bereits auf den Markt strömen, bleiben viele skeptisch – nicht ganz zu Unrecht.

Investition in Photovoltaik lohnt sich wieder

Der Bundesverband Solarwirtschaft (BSW-Solar) sagt für 2017 eine steigende Investitionsbereitschaft in Photovoltaik-Anlagen voraus. Angesichts der Tatsache, dass das Ziel der Bundesregierung, jährlich bis zu 1,5 Gigawatt durch neue Solaranlagen zu produzieren, auch 2016 wieder gescheitert ist, mag diese Einschätzung für Erstaunen sorgen.

Infografik Solarenergie in Deutschland
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Unbegründet ist sie aber nicht. Denn mit der Änderung des EEG, die seit dem 01. Januar dieses Jahres in Kraft getreten und letztes Jahr im Eilverfahren kurz vor Heiligabend im Bundestag verabschiedet worden ist, orientiert sich die Einspeisevergütung zukünftig am Erreichen des Solar-Ausbauziels.

Wie das neue Vergütungsmodell konkret aussieht, ist noch nicht bekannt. Ende Januar sollen die neuen Tarife publik gemacht werden.

Verbesserte Förderkonditionen, geringere Abgaben und eine höhere Investitionssicherheit dürften den Inlandsmarkt für Solarstromanlagen und Batteriespeicher beleben.
– BSW-Hauptgeschäftsführer Carsten Körnig

Zudem dürfte auch die KfW-Förderung für weitere Zubauten sorgen. Genau wie 2016 werden auch 2017 wieder 10 Millionen Euro an Fördergeldern zur Verfügung stehen. Letztes Jahr waren die Mittel allerdings bereits im September aufgebraucht, obwohl die Förderung erst im Frühjahr gestartet war. Eigenheim-Besitzer können beim Entscheid für eine Solaranlage sowohl von einem zinsgüntigen Darlehen als auch von einem Tilgungszuschuss profitieren.

Zusätzlich dürfte sich auch der steigende Ölpreis positiv auf die Entwicklung des Photovoltaik-Marktes auswirken. Nachdem die OPEC beschlossen hatte, die Ölfordermenge zu senken, zeigt die Ölpreiskurve deutlich nach oben. Die aktuelle Studie „Wohnen in Europa“, die vom Energiekonzern e-on in Zusammenarbeit mit Kantar EMNID erhoben wurde, unterstützt die Einschätzung des BSW: Circa die Hälfte aller Deutschen will ihr Heim zukünftig mit Solarenergie beheizen.

Auch eine Befragung der Europäischen Kommission aus dem Jahr 2011 kommt zu einem ähnlichen Ergebnis. Die aktuell circa 1,5 Millionen Solaranlagen in Deutschland dürften also schon bald Zuwachs erhalten.

Statistik Akzeptanz Solaranlagen in Deutschland
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In Perowskit-Solarzellen soll die Zukunft der Solarenergie liegen

Solarenergie ist also auf dem Vormarsch. Die Wissenschaft denkt aber bereits einen Schritt weiter, denn auch, wenn Solarenergie viele Vorteile mitbringt, kostentechnisch kann sie mit fossilen Energieträgern noch nicht mithalten, auch im Vergleich zu anderen alternativen Energieproduzenten hinkt sie hinterher.

Strom aus Windkraft zum Beispiel kostet den Nutzer zwischen sechs und acht Cent die Kilowattstunde. Solarenergie hingegen kommt dem Verbraucher durch die EEG-Umlage teurer zu stehen. Zwischen 40 und 50 Cent kostet die Kilowattstunde aktuell. Ferner hat die herkömmliche Solarzelle, die im Grunde ohne Konkurrez ihr Dasein fristet, abseits der Kostenseite noch mit einigen weiteren Nachteilen zu kämpfen.

Vorteile Nachteile
Sonnenenergie steht dauerhaft und kostenlos zur Verfügung nicht permanent verfügbar, dadurch unstete Energieproduktion
Sonnenenergie ist für Wärme- und Stromproduktion gleichermaßen nutzbar weitläufige Landschaftsflächen benötigt
relativ ausgeglichene CO2-Bilanz Investition in Netzausbau notwendig
verlässliche Technologien erhältlich höchste Energieproduktion während des Sommers, wobei Wärme vor allem im Winter benötigt wird
Import-unabhängig noch sehr teuer
relativ geringe Umweltauswirkungen während der Produktion und im Betrieb
attraktive Fördergelder
flächendeckend und platzsparend (z.B. auf Dachflächen) im privaten Bereich einsetzbar
Die Photovoltaik auf einen neuen Level heben soll nun eine neuartige Zelle: eine metallorganische Verbindung mit kristalliner Struktur, um genau zu sein, welche die Leistungseffizienz bisheriger Solarzellen weit übertreffen soll.

Die Rede ist von Perowskit-Solarzellen. Als ernstzunehmendes Solarmodul haben die neuartigen Solarzellen erst seit kurzem vor allem in der Wissenschaft das Interesse geweckt. Seit 2009 werden Perowskit-Solarzellen intensiver untersucht. Bis zur flächendeckenden Markteinführung wird es aber wohl noch etwas dauern.

Solaronox Forscher-Team mit Perowskit-Solarzellen
Quelle: Solaronix

Zwar haben Forscher des Schweizer Solarunternehmens Solaronix nun erstmalig ein etwas größeres Solarmodul aus Perowskit gefertigt, mit der Größes eines DIN-A-4-Blattes ist das Modul aber noch immer deutlich kleiner als herkömmliche Photovoltaik-Anlagen. Doch die Zukunftsaussichten sind gut, es braucht lediglich Investoren. So sagt der Solaronix-Chef Toby Meyer: „Mit dem nötigen Kleingeld könnten wir in den nächsten zwölf Monaten ein Modul mit einem Quadratmeter Fläche entwickeln.“

Grid-Parity-Niveau wird von Perowskit-Solarzellen noch nicht erreicht

Wir glauben, dass Perowskit-Solarzellen stabil sind und dass sie in naher Zukunft Energie auf Grid-Parity-Niveau liefern.

-Mohammad Khaja Nazeeruddin, Solarforscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne

Doch auch, wenn die neuen Solarzellen den herkömmlichen Silizium-Zellen Konkurrenz machen wollen, gibt es noch Probleme, die es zu überwinden gilt. Dies betrifft insbesondere die Lebensdauer. Derzeit halten die Perowskit-Solarzellen in den Testlaboren von Solaronix circa 5000 Stunden bei 55 Grad Celsius.

Für die kommerzielle Verwendung ist dies indes noch viel zu wenig, auch wenn Meyer behauptet, eine Haltbarkeit bis zu 20 Jahre sei durchaus denkbar.

Darüber hinaus entspricht auch der Wirkungsgrad der Perowskit-Solarzellen noch nicht dem benötigten Niveau. Derzeit liegt der Wert bei 6,6 Prozent. Handelsübliche Solarzellen bringen 15 Prozent oder mehr zustande.

Jedoch: Siliziumsolarkristallen ist eine physikalische Grenze gesetzt: In der Praxis lassen sich maximal 29-30 Prozent von Solarenergie über Siliziumzellen in Strom umwandeln.

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle beschreibt das Verhältnis von aufgenommener und abgegebener Energie. Ein Energiewandler wie die Solarzelle kann nie mehr Energie umwandeln, als ihm zugeführt wurde. Der maximale Wirkungsgrad kann somit 1 bzw. 100 Prozent betragen.

Und warum stehen Perowskit-Solarzellen denn aktuell dermaßen im Fokus? Der Grund liegt in den gemessenen Laborwerten. Michael Powalla vom Karlsruher Institut für Technologie sagt dazu: „Der Wirkungsgrad lag 2013 noch bei zirka 14 Prozent, 2016 lag er bei über 22 Prozent.“ Bis jetzt konnte keine andere Solarzellen derartig rasante Effizienzsteigerungen vorweisen. Wissenschaftler rechnen damit, dass sich der Wirkungsgrad auf weit über 30 Prozent steigern lässt.

Solarzellen-Typ Wirkungsgrad im Labor Wirkungsgrad in der Praxis
polykristallines Silizium 19-20 Prozent 14-18 Prozent
monokristallines Silizium 25 Prozent 19-21 Prozent
amorphes Silizium 15 Prozent 7-9 Prozent
Indiumphosphid 41,1 Prozent -
Galliumarsenid 34 Prozent 16-20 Prozent
Cadmiumtellurid ab 30 Prozent 8-10 Prozent
Tandemzelle 30-41 Prozent 25-30 Prozent

Sollten sich Perowskit-Solarzellen in einigen Jahren auch in der Praxis bewähren, dann könnten die neuen Solarzellen tatsächlich eine Revolution einläuten. Immerhin ließen sich laut Einschätzung von Solaronix-Chef Meyer die Kosten pro Wattpeak auf 19 Cent senken. Derzeit kostet die Produktion eines Wattpeaks über Silizium-Solarzellen noch über 50 Cent.

Eine Art Zwischenschritt hat unterdessen die britische Firma Oxford Photovoltaics unternommen. In Brandenburg an der Havel fertigt das Unternehmen aus Übersee derzeit sogenannte Tandemzellen an, die sowohl aus Silizium als auch aus Perowskit gefertigt werden.

Hier liegen die Vorteile von Perowskit

  • kristalline Gitterstruktur: auftreffende Lichtteile regen Elektrononen an, die sehr langlebig sind und sich als Strom abgreifen lassen
  • effiziente Perowskit-Solarzellen benötigen kein besonders reines Material wie Silizium, sodass sie ohne großen Energieaufwand produziert werden könnten

Hier liegen die Probleme von Perowskit

  • effiziente Module sind derzeit noch kostspielig produzierte Unikate
  • große Instabilität, empfindlich gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und Wärme
  • im Kristallgitter ist Blei enthalten, wodurch laut RoHS-Richtlinie der Einsatz in Solarzellen untersagt ist

Mit der Verbindung von Silizium und Perowskit soll der Wirkungsrad optimiert werden – und das ohne die Kosten erhöhen zu müssen. Immerhin steht Silizium in ausreichender Menge zur Verfügung, ist es doch das auf der Erde am zweithäufigsten vorzufindende Element. Die Sparpotentiale in der Siliziumtechnologie sind aktuell nahezu ausgeschöpft. In Verbindung mit Perowskit eröffnen sich indes gänzlich neue Möglichkeiten in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht.

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