Diese flexiblen Solarzellen bringen uns der Abkehr von fossilen Brennstoffen näher

Fotodarstellung eines Perowskits Foto mit freundlicher Genehmigung von Oxford PV

• Perowskit-Solarzellen können billiger, leichter, energieeffizienter und einfacher herzustellen sein als herkömmliches Silizium
• Sie könnten auf Fenstern, unregelmäßig geformten Oberflächen oder sogar fahrenden Fahrzeugen angebracht werden und eröffnen eine ganze Reihe neuer Anwendungen für Solarenergie, wie z. B. die Entsalzung
• Die größte Herausforderung: sie haltbar genug zu machen

Im vergangenen Dezember richteten Forscher in einem Labor in Oxford, England, eine Sonnenlampe auf eine winzige Solarzelle, die nur etwa einen Zentimeter groß war.

Das Gerät bestand eigentlich aus zwei übereinander gestapelten Zellen. Die untere bestand aus der Art von Silizium, die in Standard-Solarmodulen verwendet wird. Aber die Oberseite war Perowskit, ein Material mit einer Kristallstruktur, das besonders gut darin ist, Licht in Strom umzuwandeln.

Ein Sondenpaar, das an der sogenannten Tandem-Solarzelle angebracht war, maß ihre Leistung. Andere Forscher im Labor von Oxford PV, einem Unternehmen, das 2010 aus der Universität ausgegliedert wurde, versammelten sich hinter einem Flachbildschirm und warteten gespannt darauf, dass eine Berechnung der Effizienz der Zelle erschien. Als es soweit war, tauschten sie High Fives aus. Die Zelle hatte 28 % der Lichtenergie in Elektrizität umgewandelt, ein neuer Effizienzrekord für ein Perowskit-auf-Silizium-Gerät. Ein unabhängiger Test bestätigte dies einige Tage später, nachdem die winzige Zelle in ein Flugzeug zum National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, Colorado, verfrachtet worden war.

Die handelsübliche Solarzelle von Oxford PV (links) und die ein Zentimeter große Version (rechts).

Während Siliziummodule den Markt dominieren könnten – mit rund 95 % Marktanteil – ist Silizium kein besonders gutes Solarmaterial. Es verwendet hauptsächlich Licht vom roten und infraroten Ende des Sonnenspektrums und muss ziemlich dick und sperrig sein, um Photonen zu absorbieren und umzuwandeln. Die effizientesten Silizium-Solarmodule auf dem Markt erreichen einen Wirkungsgrad von weniger als 23 %, während das theoretische Maximum für eine einzelne Siliziumschicht bei etwa 29 % liegt.

Perowskit hingegen kann mehr von dem Licht nutzen, das es erreicht, und kann so abgestimmt werden, dass es mit verschiedenen Teilen des Spektrums arbeitet. Oxford PV hat sich für das blaue Ende entschieden. In einer Zelle gepaart, können die beiden Materialien zusammen mehr Photonen in Elektronen umwandeln, als jedes für sich allein liefern kann.

Oxford PV plant, bis Ende nächsten Jahres Solarzellen auf Basis von Perowskit und Silizium auf den Markt zu bringen, und zwar mit einer deutschen Fabrik, die es 2016 von Bosch Solar erworben hat. Die beiden Materialien werden in einem Paket geliefert, das ansonsten genauso aussieht, versendet und installiert wird wie ein Standard-Solarmodul, in einer Art Halbschritt, von dem das Unternehmen glaubt, dass es die Einführung der Technologie auf dem Markt erleichtern wird.

Die Produktionsstätte von Oxford PV in Deutschland. Oxford PV

Es ist eine technologische Unterbrechung ohne die Geschäftsunterbrechung, sagt Chris Case, Chief Technology Officer von Oxford PV.

Dutzende von Startups, die vor etwa einem Jahrzehnt versucht hatten, Silizium zu ersetzen, gingen stattdessen in Konkurs oder wurden in einen Nischenmarkt verbannt. Aber Risikokapitalgeber haben investiert zig Millionen von Dollar in Perowskit-Projekte in den letzten Monaten, was einen lange Zeit frostigen Markt für alternative Solarmaterialien anheizte. Die Frage ist nun, ob Perowskite auch verpuffen oder endlich Siliziumplatten auf dem Markt schlagen werden.

Es gibt eine ganze Reihe von Dingen, die es zu einer potenziell transformativen Technologie machen, sagt Joe Berry, der das Perowskit-Forschungsprogramm am National Renewable Energy Laboratory leitet. Aber die Liste der Technologien, die versucht haben, mit Silizium zu konkurrieren, ist lang und ausgezeichnet, also muss man auch in diesem Sinne bescheiden sein.

Eine Solarzelle auf Steroiden

In den späten 2000er Jahren versuchte eine Reihe gut finanzierter Startups, neue und flexiblere Solarmaterialien zu kommerzialisieren, einschließlich Dünnschichttechnologien wie Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (erinnern Sie sich an Solyndra?), sowie Dinge wie organische Solarzellen. Das Versprechen war, dass Zellen aus solchen Materialien viel billiger in der Herstellung wären und in verschiedenen Formen hergestellt werden könnten.

Aber Silizium-Solarmodule waren ein sich schnell bewegendes Ziel. Die Effizienz wurde weiter verbessert und die Preise sanken, Danke zu staatlich finanzierten Forschungsanstrengungen, Marktstimulierungspolitiken und Skaleneffekten.

Kosten für kommerzielle Photovoltaikanlagen (US-Dollar pro Watt Gleichstrom für Systeme mit fester Neigung)

Quelle: National Renewables Energy Laboratory | Diagramm erstellt von MIT Technology Review

Insbesondere China setzte aggressive Subventionen und Strategien ein, um die Produktion und den Export zu beschleunigen, um den Markt zu dominieren. Die Modullieferungen und der globale Marktanteil des Landes nahmen ab Mitte der 2000er Jahre zu, was zu Vorwürfen illegaler Entsorgung führte, die darauf abzielten, Konkurrenten in Übersee auszuschalten. Die Preise für kommerzielle Siliziummodule sind von 2010 bis 2013 um mehr als die Hälfte gesunken, und der Markt für Alternativen ist gesunken.

Um die enormen Kosten für den Bau neuer Fabriken, Lieferketten und Vertriebskanäle zu rechtfertigen, muss heutzutage also jedes neue Material in entscheidender Weise besser sein: effizienter, billiger in der Herstellung, vielseitiger, langlebiger oder im Idealfall alles zusammen Oben.

Perowskit glänzt in einigen dieser Kategorien. Eine einzelne Schicht kann theoretisch einen Wirkungsgrad von 33 % erreichen, während ein Tandem-Perowskit-auf-Silizium-Bauelement etwa 43 % erreichen könnte. Hohe Effizienz ist wichtig, weil Sie mehr Strom mit der gleichen Anzahl von Modulen oder der gleichen Menge mit geringerem Platzbedarf und geringeren Kosten produzieren können.

Perowskit-Solarmodule sollten zumindest irgendwann auch billiger herzustellen sein. Die Herstellung von Siliziumplatten ist ein mehrstufiger Prozess Herstellungsprozess Dabei wird das Silizium unter hoher Hitze veredelt, mit anderen Materialien vermischt und präzise in Wafer geschnitten, die dann in einem Reinraum präzise strukturiert werden müssen, um eine Photovoltaikzelle herzustellen.

Perowskite hingegen können bei niedrigen Temperaturen hergestellt und in flüssiger Form zur Beschichtung flexibler Materialien wie Kunststoff verwendet werden, was einen Rolle-zu-Rolle-Herstellungsprozess ähnlich dem Zeitungsdruck ermöglicht.

Durch die Umnutzung der Dünnschicht-Fertigungsanlage von Bosch geht Oxford PV davon aus, bis Ende nächsten Jahres in der Lage zu sein, Silizium- und Perowskit-Zellen in Serie zu produzieren und sie zu standardmäßig aussehenden Modulen zusammenzupacken.

Es ist eine gewöhnliche Solarzelle auf Steroiden, sagt Case.

Im März sagte Oxford PV, dass dies der Fall sei erzogen mehr als 40 Millionen US-Dollar, um seine Produkte auf den Markt zu bringen, was seine Gesamtfinanzierung und Finanzierung auf rund 100 Millionen US-Dollar bringt. Die Fabrik wird jedes Jahr Zellen im Wert von 250 Megawatt produzieren.

Ein weiteres Perowskit-Startup, Energy Materials, will ebenfalls die Rolle-zu-Rolle-Fertigung nutzen. Das in Rochester, New York, ansässige Unternehmen verwendet Filmanlagen, die ursprünglich für Eastman Kodak gebaut wurden, um reine Perowskit-Solarmodule in Massenproduktion herzustellen. Im vollen Maßstab wird der Prozess halb so viel kosten wie die Herstellung eines herkömmlichen Solarmoduls, während die Kapitalkosten um eine Größenordnung niedriger ausfallen werden, da für Silizium kostspielige, präzise Maschinen und Anlagen erforderlich sind, sagt Thomas Tombs, Chief Technology Officer des Unternehmens.

Die flexible Perowskit-Solarzelle von Swift Solar. Schnelle Solar

Da Perowskit flexibel, halbtransparent und leicht sein kann, könnte es auch dort eingesetzt werden, wo schwere, starre Solarmodule nicht funktionieren würden – an Fenstern, knarrenden Dächern, unregelmäßig geformten Oberflächen oder sogar fahrenden Fahrzeugen.

Swift Solar, ein mit NREL verbundenes Startup, das erzogen fast 7 Millionen Dollar in den letzten Monaten, ist anschauen Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarzellen – die zwei Perowskit-Schichten verwenden, die jeweils auf einen anderen Teil des Spektrums abgestimmt sind – in Drohnen und Elektrofahrzeuge einzusetzen, um ihre Reichweite zu erhöhen, so CEO Joel Jean. Eine solche Zelle könnte hocheffizient sowie flexibler und leichter sein als eine mit einer dicken Siliziumschicht.

Neue Nutzungsmöglichkeiten für Solarenergie erschließen

In seinem Buch Die Sonne zähmen, Varun Sivaram, Chief Technology Officer bei ReNew Power, argumentiert, dass neue Solartechnologien wie Perowskite entscheidend sein könnten, um fossile Brennstoffe letztendlich zu ersetzen.

Aber warum brauchen wir noch billigeren Solarstrom, wenn Siliziummodule bereits mit einem Kohlekraftwerk konkurrenzfähig sind?

Eines der größten Probleme mit Solarenergie ist, dass, sobald es einen erheblichen Teil des Stroms im Netz erzeugt, der zusätzliche Wert des nächsten Panels oder der nächsten Anlage stark abfällt.

Denn nachts erzeugen Solarparks überhaupt keinen Strom, sodass der Rest des Systems weiterhin den gesamten Bedarf decken muss. An sonnigen Tagen hingegen kann es sein, dass mehr Strom vorhanden ist, als das System verbrauchen oder speichern kann. In Regionen mit viel Solarstrom wie Deutschland, China und Kalifornien passiert das bereits.

Netzbetreiber müssen Solarparks regelmäßig zwingen oder dazu anregen, ihre Produktion zu drosseln, oft indem sie die Preise auf null oder sogar darunter drücken. Das kann die Gewinne der Solaranlagen schmälern, was die wirtschaftlichen Anreize beseitigt, mehr von ihnen zu bauen und den Verbrauch fossiler Brennstoffe weiter zu reduzieren.

In einem Papier Sivaram und Shayle Kann, jetzt Geschäftsführer der Private-Equity-Firma Energy Impact Partners, die 2016 in Nature Energy veröffentlicht wurden, berechneten, dass die Kosten für die Entwicklung von Solarenergie auf 25 Cent pro Watt sinken müssten, um die wirtschaftlichen Anreize für den Bau weiterer Anlagen zu erhalten . Die All-in-Kosten der billigsten kommerziellen Systeme betragen laut dem 1,06 $ pro Watt neuesten NREL-Bericht .

Vieles davon ist auf den hohen Preis für die Installation und Verkabelung der sperrigen Hardware zurückzuführen. Um den Preis drastisch zu senken, sind also wahrscheinlich nicht nur spottbillige Solarzellen erforderlich, sondern auch leichte, flexible und einfacher einzusetzende. Perowskite sind heute das vielversprechendste Material für einen solchen Sprung, sagt Sivaram.

Billiger Solarstrom könnte auch die Kosten für Dinge wie Meerwasserentsalzung, künstliche Bäume, die Kohlendioxid aus der Atmosphäre pflücken, oder Elektrolyseanlagen, die überschüssige Energie in Wasserstoff umwandeln können, senken.

Es schaltet all diese anderen neuen Anwendungen frei, an die wir vorher nie gedacht haben, sagt Sivaram.

Das Instabilitätsproblem

Die schwierigere Frage bei Perowskiten ist ihre Haltbarkeit. Effizienzsprünge spielen keine Rolle, wenn das Material nur wenige Monate oder sogar Jahre hält – und bisher neigen Perowskite dazu, schnell abgebaut zu werden, wenn sie ultraviolettem Licht und Feuchtigkeit ausgesetzt werden.

Das ist ein sehr großes Problem für ein Material, das einige Jahrzehnte unter der Sonne liegen muss. Und wenn Unternehmen Perowskit-Platten auf den Markt bringen, die zu früh versagen, schadet dies dem Ruf des Materials, selbst wenn sie später haltbarere Versionen entwickeln.

Ein PV-Mitarbeiter aus Oxford untersucht Tandem-Solarzellen aus Perowskit und Silizium in kommerzieller Größe. Oxford PV

Vorerst hängt der Marktplan von Oxford PV davon ab, ob seine Perowskit-Silizium-Zelle so hergestellt werden kann, dass sie funktioniert und aussieht wie ein Standard-Silizium-Solarmodul, einschließlich der Verpackung in einem Glasgehäuse, das zu einer längeren Lebensdauer beiträgt.

Aber das Unternehmen musste hart an der Stabilität des Materials selbst arbeiten, indem es Computermodelle und schnelles Screening einsetzte, um vielversprechende Zusammensetzungen aus etwa einer halben Million Möglichkeiten zu ermitteln. Das Rezept des Unternehmens für Perowskite ist proprietär, aber sein CEO, Frank Averdung, ist optimistisch. Wir haben das Zuverlässigkeitsproblem gelöst, sagt er. Wir haben es geschafft, und das ist der Grund, warum wir jetzt in den Fertigungsmodus wechseln können.

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