Perowskite: Das Material, das Silizium in fünfzehn Jahren einholte
2009 wandelte die erste Perowskit-Solarzelle etwa 3,8 Prozent des auftreffenden Lichts um. Heute liegt der Rekord über 26 Prozent, konkurrenzfähig mit kommerziellem Silizium. Nichts sonst in der Photovoltaik hat sich so schnell verbessert, und die Geschichte lohnt eine genaue Erzählung - weil die Physik wirklich interessant ist und weil ein fünfzehnjähriger Aufstieg von der Kuriosität zur Fast-Gleichwertigkeit zeigt, wie echter Fortschritt in der Energietechnik tatsächlich aussieht, wenn er stattfindet.
Was ein Perowskit tatsächlich ist
Der Name bezeichnet eine Kristallstruktur, zuerst im Mineral Calciumtitanat erkannt und nach dem russischen Mineralogen Lew Perowski benannt. Jede Verbindung mit dieser Anordnung heißt Perowskit, und Tausende tun das, mit sehr verschiedenen Eigenschaften - manche sind Supraleiter, manche Isolatoren.
Die in Solarzellen verwendeten sind meist hybride organisch-anorganische Bleihalogenide, die ein organisches Kation mit Blei und einem Halogen verbinden. Diese Familie erwies sich als ungewöhnliche Kombination: eine über die Zusammensetzung einstellbare Bandlücke, starke Lichtabsorption und Ladungsträger, die weit laufen, bevor sie rekombinieren.
Die letzte Eigenschaft ist die überraschende. Billige, aus Lösung verarbeitete Materialien haben normalerweise viele Defekte, und Defekte fangen Ladungsträger ein, bevor sie gesammelt werden. Perowskite vertragen Defekte weit besser als erwartet - deshalb leistet ein Material, das sich aufstreichen lässt, so viel wie eines aus dem Ofen.
Die Absorption ist so stark, dass eine Schicht unter einem Mikrometer den größten Teil des nutzbaren Lichts einfängt, gegenüber rund 200 Mikrometern bei Silizium. Dieser Unterschied im Materialvolumen ist ein großer Teil des Kostenarguments.
Warum es so schnell ging
Die Siliziumphotovoltaik brauchte rund vierzig Jahre, um vom einstelligen Bereich in die Mitte der Zwanziger zu kommen. Perowskite legten dieselbe Spanne in fünfzehn zurück. Ein Grund ist, dass sie in ein Feld kamen, das bereits wusste, was zu optimieren ist: Kontaktschichten, Lichtmanagement und Grenzflächentechnik waren an anderen Techniken erarbeitet worden.
Der andere Grund ist die Verarbeitung. Eine Perowskitschicht lässt sich aus Lösung bei rund 100 Grad Celsius abscheiden, eine Forschungsgruppe kann also viele Varianten schnell herstellen und prüfen. Silizium verlangt Öfen über 1.000 Grad und einen weit längeren Versuchszyklus.
Die interessantesten Zahlen liefert die Tandemanordnung. Eine Perowskitzelle auf eine Siliziumzelle zu stapeln lässt jede einen anderen Spektralbereich aufnehmen - der Perowskit die energiereichen Photonen, das Silizium den Rest -, und die Kombination hat 33 Prozent überschritten, über der theoretischen Obergrenze für Silizium allein.
Der photoelektrische Mechanismus ist in all diesen Zellen identisch. Verschieden ist, wie gut das Material absorbierte Photonen in gesammelte Ladung überführt und wie günstig es herzustellen ist.
Das Problem, das nicht gelöst ist
Siliziummodule kommen mit fünfundzwanzig Jahren Garantie, weil Silizium chemisch träge und mechanisch stabil ist. Perowskite sind weder das eine noch das andere. Sie zersetzen sich bei Feuchtigkeit, zerfallen bei erhöhter Temperatur und nehmen unter dauerhafter Beleuchtung Schaden - unpraktisch für ein Gerät, dessen Aufgabe darin besteht, in der Sonne zu liegen.
Die Instabilität ist kein Nebenaspekt der Chemie; sie hängt mit derselben weichen, ionischen Struktur zusammen, die die Niedertemperaturverarbeitung erst ermöglicht. Die Stabilität zu verbessern, ohne die Verarbeitbarkeit zu verlieren, ist das zentrale Forschungsproblem - angegangen über Zusammensetzung, Verkapselung und Grenzflächenpassivierung.
Der Bleigehalt ist ein zweites Thema. Die leistungsfähigsten Zusammensetzungen enthalten Blei, was Fragen zu Entsorgung und Regulierung aufwirft, besonders in Europa. Bleifreie Alternativen existieren, schneiden bislang aber deutlich schlechter ab.
Der Fortschritt ist real - manche Bauelemente bestehen inzwischen industrielle Alterungstests -, aber kein Perowskitprodukt hat jahrzehntelange Feldbewährung gezeigt, aus dem einfachen Grund, dass noch nicht genug Jahrzehnte vergangen sind. Diese Einschränkung kann kein Laborergebnis abkürzen.
Wofür dieses Beispiel gut ist
Perowskite lohnen auf diesen Seiten aus einem Grund jenseits der Photovoltaik. Sie sind der Fall einer aufkommenden Energietechnik, die wirklich vielversprechend ist, sich schnell entwickelt, von Tausenden begutachteten Arbeiten getragen wird - und dennoch nicht kommerziell im Einsatz ist, weil die Haltbarkeit nicht nachgewiesen wurde.
Diese Kombination ist lehrreich. Wissenschaftlich real zu sein und einsatzbereit zu sein sind zwei verschiedene Dinge, und der Abstand dazwischen bemisst sich meist in Ingenieurjahren, nicht in Entdeckungen. Eine Technik kann vollkommen seriös und trotzdem Jahre von einem Produkt entfernt sein.
Sie zeigt außerdem, wie eine ehrliche Wirkungsgradangabe aussieht. Perowskitrekorde werden von unabhängigen Laboren zertifiziert, mit den Messbedingungen veröffentlicht und in einer seit 1976 gepflegten öffentlichen Tabelle geführt. Jeder kann sie prüfen, und strittige Ergebnisse werden korrigiert.
Das ist der Maßstab, den auch die Neutrinovoltaik-Forschung erfüllen muss: unabhängig geprüfte Messungen, genannte Bedingungen und eine klare Trennung zwischen dem, was im Labor gezeigt wurde, und dem, was als Produkt verfügbar ist. Das Perowskitfeld schafft das, obwohl es noch jung ist - und das ist der nützliche Teil des Vergleichs.
Häufige Fragen
Was bedeutet Perowskit?
Es ist eine Kristallstruktur, keine bestimmte Verbindung, benannt nach dem Mineralogen Lew Perowski. Tausende Materialien teilen sie. Solarzellen nutzen meist hybride organisch-anorganische Bleihalogenid-Perowskite.
Wie wirksam sind Perowskit-Solarzellen?
Laborrekorde übersteigen 26 Prozent bei Einfachzellen, ausgehend von 3,8 Prozent im Jahr 2009. Perowskit-Silizium-Tandemzellen haben 33 Prozent überschritten, über der theoretischen Grenze für Silizium allein.
Warum sind sie billiger herzustellen?
Sie lassen sich aus Lösung bei rund 100 Grad Celsius abscheiden, während Silizium Öfen über 1.000 Grad braucht. Zudem absorbieren sie Licht so stark, dass eine Schicht unter einem Mikrometer genügt.
Warum sind sie nicht am Markt?
Wegen der Stabilität. Sie zersetzen sich unter Feuchtigkeit, Wärme und dauerhafter Beleuchtung, und kein Perowskitprodukt hat die jahrzehntelange Feldbewährung gezeigt, für die Siliziummodule garantiert werden.
Enthalten sie Blei?
Die leistungsfähigsten Zusammensetzungen ja, was Fragen zu Entsorgung und Regulierung aufwirft. Bleifreie Alternativen existieren, schneiden derzeit aber deutlich schlechter ab.
