„Perowskit-Module werden bald allgemein verfügbar sein“
Der slowenische Forscher Marko Jošt von der Fakultät für Elektrotechnik der Universität Ljubljana wurde in diesem Jahr mit dem Zois-Preis für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der Photovoltaik ausgezeichnet. Er beschäftigt sich mit der Erforschung neuer Materialien zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität, insbesondere mit Perowskit, einem vielversprechenden Material, das in einfachen oder fortschrittlichen Perowskit-Solarzellen eingesetzt werden kann.
Laut der Begründung der Auszeichnung hat Jošts Arbeit maßgeblich dazu beigetragen, die Effizienz und Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen zu verbessern und deren Funktionsweise besser zu verstehen. Seine Forschung trägt zudem zur globalen technologischen Entwicklung und zur industriellen Nutzung dieser Zellen bei. Im Interview mit unseren Kollegen der slowenischen Wirtschaftszeitung Casnik Finance steht er Rede und Antwort.
DWN: Was ist der Unterschied zwischen einfachen Solarzellen und fortgeschrittenen, sogenannten Tandem-Perowskit-Solarzellen?
Marko Jošt: Einfache Solarzellen bestehen nur aus einem Absorptionsmaterial. Auf den Dächern und am Markt dominieren heute Zellen auf Siliziumbasis, aber es gibt auch andere Typen, z.B. CIGS, CdTe oder Perowskit.
Tandem- oder Doppelschichtzellen hingegen enthalten zwei Absorptionsmaterialien beziehungsweise zwei Solarzellen. Besonders interessant sind derzeit Perowskit-Silizium-Tandemzellen. Die obere Perowskit-Zelle absorbiert den sichtbaren Teil des Lichtspektrums, während die Siliziumzelle den infraroten Bereich aufnimmt. Dadurch wird das Sonnenlichtspektrum deutlich effizienter genutzt und die Verluste bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom verringern sich erheblich.
DWN: Wie hat Ihre Arbeit zur Entwicklung von Perowskit-Zellen beigetragen?
Marko Jošt: Tandemzellen bestehen aufgrund der Kombination zweier Solarzellen aus bis zu 15 verschiedenen Schichten. Für eine optimale Leistung müssen die Materialien sorgfältig ausgewählt und ihre Schichtdicken und Aufbringungsverfahren präzise optimiert werden. Dabei sind optische Simulationen von großem Nutzen: Mit ihnen konnte ich zunächst die Struktur der Tandemzelle optimieren und sie anschließend auch physisch herstellen.
Ich habe mich in meiner Forschung auf den Perowskit-Teil konzentriert und war an der Entwicklung von rekordhaltenden Perowskit-Silizium- und Perowskit-CIGS-Tandemzellen beteiligt. Derzeit liegt unser Schwerpunkt auf der Verbesserung der Langzeitstabilität sowohl einfacher als auch tandemartiger Perowskit-Zellen. Dazu entwickeln und testen wir eigene Prüfgeräte und führen umfangreiche Alterungstests durch.
DWN: Wie viel effizienter sind Tandem-Perowskit-Solarzellen im Vergleich zu klassischen Photovoltaikanlagen?
Marko Jošt: Die theoretisch maximale Effizienz einfacher Solarzellen liegt bei 33 Prozent, bei Tandemzellen bei 45 Prozent. Sie können also rund ein Drittel mehr Energie erzeugen.
Bei den aktuellen Rekordzellen liegt die Siliziumzelle bei 27,8 Prozent, die Perowskit-Silizium-Tandemzelle bei 34,9 Prozent.
Bei Solarmodulen ist der Unterschied derzeit geringer: Die besten Siliziummodule erreichen eine Effizienz von 24 Prozent, Tandemmodule 27 Prozent. Experten erwarten jedoch, dass sich die Effizienz der Tandemmodule bald den Rekordwerten der Zellen annähern wird, während Silizium-Module ihren theoretischen Höchstwert bereits nahezu erreicht haben.
DWN: Werden sich Perowskit-Zellen in der Breite so stark durchsetzen wie klassische Photovoltaik?
Marko Jošt: Erste Perowskit- und Perowskit-Silizium-Module sind bereits auf dem Markt erhältlich, auch wenn sich die Technologie noch in der Forschungsphase befindet. Angesichts des rasanten Fortschritts in den letzten Jahren gehen jedoch viele, mich eingeschlossen, davon aus, dass Perowskit-Module schon bald breit verfügbar sein werden.
Parallel dazu werden die Produktionskapazitäten erheblich steigen. Laut dem International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV) wird der Marktanteil von Perowskit-Silizium-Tandemmodulen im Jahr 2035 bereits etwa zehn Prozent betragen.
DWN: Wie teuer ist die Produktion solcher Tandemzellen?
Marko Jošt: Derzeit ist es noch schwierig, die endgültigen Produktionskosten abzuschätzen, da die jährlichen Produktionskapazitäten für Silizium-Module (über 400 Gigawatt) im Vergleich zu Perowskit-Modulen (unter 1 Gigawatt) um ein Vielfaches höher sind. Grundsätzlich ist die Herstellung einer Perowskit-Zelle durch die einfache Beschichtungstechnologie günstiger als die einer Silizium-Zelle, die aufwendige Hochtemperaturprozesse erfordert. Wenn man davon ausgeht, dass die Tandemstruktur den Wirkungsgrad um etwa 30 Prozent steigert, dann sollte die Herstellung der oberen Perowskit-Zelle etwa 50 Prozent der Kosten einer Silizium-Zelle betragen.
Langfristig wird jedoch erwartet, dass der Perowskit-Anteil nur rund zehn Prozent der Siliziumkosten ausmachen wird. Da Siliziumzellen derzeit etwa die Hälfte der Gesamtkosten eines Moduls darstellen und die Installationskosten von Solaranlagen bis zu doppelt so hoch sein können, wird eine höhere Effizienz der Tandemmodule letztlich zu einer weiteren Senkung der Gesamtkosten von Photovoltaikanlagen führen.
DWN: Kann die Produktion solcher Zellen in der EU konkurrenzfähig aufgebaut werden?
Marko Jošt: Aufgrund ihrer einfachen Herstellung sind Perowskit-Module grundsätzlich für die Produktion in Europa geeignet. Bei Tandemzellen auf Siliziumbasis bliebe jedoch eine gewisse Abhängigkeit von chinesischen Siliziumzellen bestehen. Gleichzeitig werden rein perowskitbasierte oder Perowskit-Perowskit-Module künftig ebenfalls hohe Wirkungsgrade erreichen und somit wirtschaftlich interessant sein.
Europa spielt derzeit noch eine führende Rolle in der Entwicklung von Tandemzellen. Zahlreiche europäische Forschungsinstitute arbeiten an dieser Technologie, und mehrere Rekordzellen wurden hier entwickelt. An einigen war auch ich beteiligt. Unter den Unternehmen gilt Oxford PV mit Sitz im Vereinigten Königreich und einer Produktionslinie in Deutschland als derzeit wichtigster Akteur. Es war auch das erste Unternehmen, das ein Tandemmodul auf den Markt brachte.
Allerdings verschiebt sich der Schwerpunkt zunehmend nach China. Die aktuelle Rekordzelle stammt vom chinesischen Konzern Longi, einem der größten Hersteller von Siliziummodulen weltweit. Auch alle bislang bekannten industriellen Perowskit-Module werden in China gefertigt.
Europas heimliche Waffe gegen Chinas Solardominanz
Mit der Forschung an Perowskit-Solarzellen steht Europa an einem entscheidenden Punkt der Energiewende. Tandemzellen aus Perowskit und Silizium versprechen bis zu ein Drittel mehr Energieertrag und könnten die Kosten von Solaranlagen langfristig deutlich senken. Ob die EU und insbesondere Länder wie Deutschland ihre eigene Produktionsbasis aufbauen können, wird entscheidend dafür sein, ob Europa technologisch unabhängig bleibt oder der nächste große Fortschritt in der Solarindustrie erneut in China stattfindet.
