Silizium

May 16, 2023

Zukunftsorientiert: Herkömmliche Solarstromzellen basieren auf einer Silizium-Halbleiterverbindung, die bekanntermaßen einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad von 29 Prozent bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie aufweist. Durch den Einbau einer zweiten Perowskitschicht auf die Basissiliziumschicht haben Solarzellen jedoch das Potenzial, diese Effizienzschwelle in naher Zukunft zu überschreiten.

Perowskit ist eine Klasse von Verbindungen, die die gleiche Kristallstruktur wie das Calciumtitanoxid-Mineral haben. Dieses hochflexible Material wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Ultraschallgeräte, Speicherchips und Solarzellen zur Stromerzeugung. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass Perowskit das „Geheimrezept“ sein könnte, um die Solarzellenindustrie zu neuen Effizienzniveaus bei der Stromerzeugung zu führen.

Die aktuelle Solarzellentechnologie nähert sich schnell ihrem maximalen Wirkungsgrad, reicht jedoch noch nicht aus, um Solarenergie als wichtigen Abschwächungsfaktor gegen die globale Erwärmung zu nutzen. Wissenschaftler sagen, der Wirkungsgrad muss über 30 Prozent liegen und die Installationsrate neuer Solarmodule muss sich im Vergleich zum derzeitigen Einsatz verzehnfachen.

Durch das Hinzufügen einer zusätzlichen Perowskitschicht auf einer Siliziumbasis, die beide Halbleitereigenschaften besitzen, kann die Menge der aus dem Sonnenlicht eingefangenen Energie erhöht werden. Die Siliziumschicht fängt Elektronen aus rotem Licht ein, während die Perowskitschicht blaues Licht einfängt. Eine verbesserte Fähigkeit zur Energieabsorption wird zu einer Senkung des Gesamtpreises für Solarenergie führen und dadurch eine schnellere Einführung und Einführung von Solarmodulen ermöglichen.

Wissenschaftler haben Jahre damit verbracht, eine effiziente Silizium-Perowskit-Solarzellentechnologie zu entwickeln, und es scheint, dass das Jahr 2023 einen bedeutenden Meilenstein auf diesem Gebiet darstellen wird. Jüngste Forschungsfortschritte haben es geschafft, den Wirkungsgrad von Silizium-Perowskit-Tandemzellen auf über 30 Prozent zu steigern. Der Fortschritt ist so rasant, dass diese Technologie bald ihre erweiterten Fähigkeiten in kommerziell erhältlichen Produkten unter Beweis stellen wird.

Stefaan De Wolf, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien, glaubt, dass das Jahr 2023 bedeutende Fortschritte bringen wird. De Wolfs Team hat in einer Silizium-Perowskit-Solarzelle bereits einen Wirkungsgrad von 33,7 Prozent erreicht, ihre Arbeit muss jedoch noch in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht werden.

Eine andere Gruppe unter der Leitung von Steve Albrecht am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie in Deutschland veröffentlichte kürzlich eine Studie über eine Tandem-Silizium-Perowskit-Zelle, die einen Wirkungsgrad der Energieumwandlung von bis zu 32,5 Prozent erreichen kann. Eine dritte Gruppe unter der Leitung von Xin Yu Chin an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne, Schweiz, hat einen Wirkungsgrad von 31,25 Prozent nachgewiesen, wobei Tandemzellen „das Potenzial für einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Herstellungskosten“ haben.

Laut De Wolf weckt das Überschreiten der 30-Prozent-Energieschwelle die Zuversicht, dass „leistungsstarke und kostengünstige PV-Anlagen auf den Markt gebracht werden können“. Die Solarstromkapazität erreichte im Jahr 2022 1,2 Terawatt (TW) und muss bis 2050 auf mindestens 75 TW erhöht werden, um die katastrophalsten Szenarien aufgrund der globalen Erwärmung und der Treibhausgase abzumildern.

Die kommerzielle Industrie arbeitet aktiv an der Verbesserung der Effizienz von Solarzellen. Chinas größter Hersteller (LONGi) hat im Labor bereits einen Wirkungsgrad von 33,5 Prozent erreicht. Der nächste Schritt besteht darin, die Größe effizienter Silizium-Perowskit-Tandemzellen von experimentellen Bedingungen (1 cm²) auf kommerzielle Merkmale (15 cm²) zu vergrößern. De Wolf zeigt sich zuversichtlich, dass wir dieses Ziel eher früher als später erreichen werden.