Heutige Solarmodule verwenden Zellen auf Siliziumbasis, nähern sich jedoch schnell ihrer maximalen Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität von 29 %.Frank Hörmann/Sven Simon/Zuma Press
Diese Geschichte wurde ursprünglich von veröffentlicht Wächter und wird hier als Teil der wiedergegeben Klimaschreibtisch Zusammenarbeit.
Solarstromzellen sind im Rennen Nach Innovationen mehrerer Forschungsgruppen auf der ganzen Welt wurde der entscheidende Meilenstein von 30 Prozent Energieeffizienz überschritten. Diese Leistung macht dieses Jahr laut einem Experten zu einem „revolutionären“ Jahr und könnte die Einführung der Solarenergie beschleunigen.
Heutige Solarmodule verwenden Zellen auf Siliziumbasis, nähern sich jedoch schnell ihrer maximalen Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität von 29 Prozent. Gleichzeitig muss die Installationsrate von Solarenergie laut Wissenschaftlern verzehnfacht werden, um die Klimakrise zu bewältigen.
Der Durchbruch besteht darin, auf der Siliziumschicht eine Schicht aus Perowskit, einem weiteren Halbleiter, anzubringen. Dadurch wird blaues Licht aus dem sichtbaren Spektrum eingefangen, während das Silizium rotes Licht einfängt, wodurch die insgesamt erfasste Lichtmenge erhöht wird. Da pro Zelle mehr Energie absorbiert wird, sind die Kosten für Solarstrom sogar noch günstiger und der Einsatz kann schneller erfolgen, um die globale Erwärmung unter Kontrolle zu halten.
Die Perowskit-Silizium-„Tandem“-Zellen werden seit etwa einem Jahrzehnt erforscht, aber jüngste technische Verbesserungen haben sie nun über die 30-Prozent-Marke gebracht. Experten sagten, wenn die Ausweitung der Produktion der Tandemzellen reibungslos verläuft, könnten sie innerhalb von fünf Jahren kommerziell verfügbar sein, etwa zur gleichen Zeit, zu der reine Siliziumzellen ihre maximale Effizienz erreichen.
Zwei Gruppen veröffentlichten die Einzelheiten ihrer Effizienzdurchbrüche in der Zeitschrift Wissenschaft am Donnerstag, und mindestens zwei weitere sind bekanntermaßen deutlich über 30 Prozent gestiegen. „Dieses Jahr ist ein revolutionäres Jahr“, sagte Prof. Stefaan De Wolf von der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien. „Es ist sehr aufregend, dass sich die Dinge bei mehreren Gruppen schnell entwickeln.“
Der aktuelle Wirkungsgradrekord für reine Silizium-Solarzellen liegt bei 24,5 Prozent bei kommerziellen Zellen und bei 27 Prozent im Labor. Letzteres könnte durchaus so nah sein, dass die Zellen praktisch an das theoretische Maximum von 29 Prozent herankommen.
Doch eine Gruppe unter der Leitung von Steve Albrecht vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie in Deutschland hat nun Informationen darüber veröffentlicht, wie sie bei Silizium-Perowskit-Zellen Wirkungsgrade von bis zu 32,5 Prozent erreicht haben. Die andere Gruppe unter der Leitung von Dr.
„Was diese beiden Gruppen gezeigt haben, sind wirklich Meilensteine“, sagte De Wolf. Seine eigene Gruppe erreichte im Juni mit einer Tandemzelle einen Wirkungsgrad von 33,7 Prozent, hat die Ergebnisse jedoch noch nicht in einer Fachzeitschrift veröffentlicht. Alle Effizienzmessungen wurden unabhängig verifiziert.
„Die Überwindung der 30-Prozent-Schwelle gibt Zuversicht, dass leistungsstarke und kostengünstige PV-Anlagen auf den Markt gebracht werden können“, sagte De Wolf. Die weltweite Solarstromkapazität erreichte im Jahr 2022 1,2 Terawatt. „Um jedoch die mit der globalen Erwärmung verbundenen Katastrophenszenarien abzuwenden, muss die Gesamtkapazität bis 2050 auf etwa 75 TW erhöht werden“, sagte er.
Auch die Solarindustrie ist Teil des Wettlaufs um hohe Effizienz. Das chinesische Unternehmen LONGi, der weltweit größte Hersteller von Solarzellen, gab im Juni bekannt, dass es in seiner Forschung einen Wert von 33,5 Prozent erreicht habe. „Die Senkung der Stromkosten bleibt das ständige Thema, das die Entwicklung der Photovoltaikindustrie vorantreibt“, sagte Li Zhenguo, der Präsident von LONGi.
„Die Branche entwickelt sich sehr, sehr schnell“, sagte De Wolf. „Und ich bin sicher, dass in China mehrere Unternehmen daran arbeiten.“ Europa und die USA müssten ihre Mittel für Forschung und Entwicklung erhöhen, um mit der beschleunigten Einführung der Solarenergie Schritt zu halten und dazu beizutragen, sagte er.
Allesamt hocheffizient Tandemzellen über 30 Prozent Wirkungsgrad sind bisher klein und messen 1 cm mal 1 cm. Sie müssen nun auf die Größe kommerzieller Zellen vergrößert werden, die 15 cm im Quadrat groß sind.
Die Skalierung ist bereits im Gange: Das britische Unternehmen Oxford PV kündigte im Mai einen Rekordwirkungsgrad von 28,6 Prozent für eine Zelle kommerzieller Größe an. „Solar ist bereits eine der kostengünstigsten und saubersten Energieformen, die es gibt, und unsere Technologie wird sie noch erschwinglicher machen“, sagte Chris Case, Chief Technology Officer bei Oxford PV.
Die Oxford-PV-Zelle wurde auf derselben Produktionslinie wie herkömmliche reine Siliziumzellen hergestellt, was die Produktion von Tandemzellen in großem Maßstab erheblich vereinfacht. Tandemzellen könnten sich als teurer erweisen als reine Siliziumzellen, aber die Zellen machen nur einen kleinen Teil der Kosten für die Herstellung und Installation von Solarmodulen aus, sagte De Wolf.
Ein Problem, das noch gelöst werden muss, ist die Frage, wie schnell sich die Tandemzellen im Laufe der Zeit unter realen Bedingungen verschlechtern. Heutige Solarzellen haben nach 25 Jahren immer noch 80–90 Prozent ihrer Kapazität und De Wolf sagte, Tandems müssten das erreichen, aber es gebe bisher nur begrenzte Daten zu ihrer Stabilität.
Der Schlüssel zu den höheren Wirkungsgraden der Tandemzellen der deutschen und schweizerischen Gruppen lag in der Beseitigung winziger Defekte auf der Oberfläche der Perowskitschicht. Dadurch können einige durch Sonnenphotonen freigesetzte Elektronen in den Perowskit zurückfließen, anstatt zum elektrischen Strom der Zelle beizutragen und somit deren Effizienz zu verringern.
Die Lösung bestand darin, zwischen dem Perowskit und der leitenden Schicht, durch die der Strom fließt, eine Schicht organischer Moleküle anzubringen, die die Defekte kompensierte.
Bezeichnenderweise verwendeten alle Gruppen unterschiedliche Methoden, um das Problem anzugehen, was mehr Möglichkeiten bei der Suche nach dem besten kommerziellen Design eröffnete, sagte De Wolf. „Es gibt noch viel Luft nach oben“, sagte er. „Ich glaube, dass die praktische Grenze weit über 35 Prozent liegt.“
Prof. Rob Gross, Direktor des UK Energy Research Centre, sagte: „Solarenergie ist bereits eine kostengünstige Möglichkeit zur Stromerzeugung und verfügt weltweit über eine breite Ressourcenbasis.“ Die bereits erzielten Kostensenkungen sind der Hauptgrund dafür, dass Solarenergie in Szenarien dekarbonisierter Energiesysteme mittlerweile eine so große Rolle spielt. Effizienzsteigerungen haben das Potenzial, die Solarleistung zu steigern und werden daher dazu beitragen, diesen Effekt zu verstärken.“
Es gibt andere Technologien, wie zum Beispiel Mehrfachzellen, die einen Wirkungsgrad von bis zu 47 Prozent haben können, aber diese sind sehr teuer in der Herstellung und wären nur für Nischenanwendungen geeignet, etwa auf Weltraumsatelliten oder wenn das Sonnenlicht stark auf sie konzentriert ist Zellen.