Dünnschichtsolarzellen aus Nanokristallen

Im Projekt NanoSolar wollen die Forscher des KIT kleinste Kristalle des Minerals Perowskit gezielt einstellen und in Solarzellen integrieren / Bildquelle: KIT/NanoSolar

Der Wirkungsgrad von Solarzellen aus Perowskit hat sich in den vergangenen Jahren sehr schnell verbessert. Auf dem Weg zur Marktreife sind jedoch noch Herausforderungen zu bewältigen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wollen die Entwicklung von Perowskit-Solarzellen vorantreiben. So lassen sich etwa durch ein besonderes Dünnschichtverfahren Material und Kosten sparen. An Lösungen für die Herstellung der neuen Photovoltaik-Technologie forscht ein interdisziplinäres Wissenschaftler-Team in den kommenden drei Jahren im Projekt NanoSolar.

Perowskit-Solarzellen haben in den vergangenen Jahren eine beispiellose Entwicklung durchlaufen: Innerhalb von nur fünf Jahren wurde ihr Wirkungsgrad erheblich gesteigert, sie setzen mittlerweile über 20 Prozent der Sonnenstrahlung in elektrische Energie um. Niedrige Materialkosten und ein geringer Materialeinsatz durch Dünnschichttechnologie machen Perowskit-Solarzellen zu einer vielversprechenden Alternative, mit der die Kosten für die Wandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie gesenkt werden können. Ein entscheidender Nachteil der Technologie ist bislang jedoch die Verwendung von umweltschädlichen Bleiverbindungen zur Herstellung der Perowskit-Kristalle. Dr. Alexander Colsmann, der am Lichttechnischen Institut des KIT die Abteilung Organische Photovoltaik leitet, sucht nach einem Weg, ungiftige Metalle einzusetzen. Wenn es gelinge, nachhaltige, umweltfreundliche Herstellungsprozesse für diese neue Technologie zu etablieren, könnten Perowskit-Solarzellen neben der großflächigen Stromerzeugung auch für die dezentrale Energieversorgung genutzt werden, so der Physiker. Das Material einer Dünnschichtsolarzelle hat ein homogenes Erscheinungsbild und eignet sich deshalb zum Beispiel als Fassadenverkleidung. Die Entwicklung umweltfreundlicher Perowskit-Solarzellen ist nicht nur im Sinne der Nachhaltigkeit erforderlich, sondern auch eine wesentliche Voraussetzung für ihren wirtschaftlichen Erfolg.

Am Projekt „NanoSolar – Kontrollierte Abscheidung von Nanokristallen für Perowskit-Solarzellen” sind Wissenschaftler des LTI (Arbeitsgruppe Dr. Alexander Colsmann) und des Instituts für anorganische Chemie (Arbeitsgruppe Professor Dr. Claus Feldmann) am KIT beteiligt. Zu dem interdisziplinären Team gehören Physiker, Chemiker, Materialwissenschaftler und Ingenieure. Ziel ist es die nanoskaligen Kristallstrukturen gezielt einzustellen und neuartige, umweltfreundliche Materialien und Prozesse zur Herstellung von Perowskiten zu entwickeln, um sie in Solarzellen zu integrieren.

Die Forscher untersuchen den gesamten Prozess von der Synthese der Materialien bis zum Demonstrator-Modul, das eine funktionsfähige Solarzelle zeigt. Hergestellt werden die Perowskit-Solarzellen – ähnlich wie organische Solarzellen – mittels Druck- und Beschichtungsverfahren. NanoSolar verbindet Grundlagenforschung und anwendungsorientierte Wissenschaft. Um die neue Technologie fundamental zu verstehen, untersuchen die Wissenschaftler die Beziehungen zwischen den Strukturen und den Eigenschaften der Materialien, um diese zu optimieren. Das auf drei Jahre ausgelegte Projekt „NanoSolar“ wird durch die Baden-Württemberg-Stiftung innerhalb des Forschungsprogramms „Funktionelle Oberflächen und Materialien für eine nachhaltige Energieversorgung“ mit 530 000 Euro finanziert.

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