Größere Perowskitkristalle für die Solarzellenproduktion

Perowskitkristalle sind die neuen Hoffnungsträger für billige und dennoch effiziente Solarzellen: Innerhalb von nur fünf Jahren konnten Forscher den Wirkungsgrad von Perowskitzellen von knapp vier auf mehr als zwanzig Prozent anheben. Ein solcher Fortschritt lässt sich nun auch in neuen Fertigungsverfahren beobachten, über die zwei Forschergruppen in der Fachzeitschrift „Science“ berichten. Damit könnten Hersteller von Solarzellen vielleicht schon bald hocheffiziente Module zu einem Bruchteil der heute schon niedrigen Preise für Siliziumzellen anbieten. Photovoltaisch erzeugter Strom wäre so auf einem guten Weg, sogar billiger als Kohle- oder Windstrom zu werden.

Bisher sind Perowskitsolarzellen aufwendig gefertigte und oft nur wenige Quadratmillimeter kleine Einzelstücke. Für die Massenproduktion sind jedoch große Kristallschichten von möglichst gleichbleibender Qualität gefordert. Diesem Ziel sind nun Wanyi Nie und ihre Kollegen vom Los Alamos National Laboratory einen Schritt näher gekommen. Sie konnten polykristalline Perowskitschichten mit einer bisher unerreichten Korngröße von bis zu zwei Millimetern züchten. Je größer die Kristalle in den Schichten waren, desto gleichmäßiger produzierten Perowskitzellen elektrischen Strom.

Künstlerische Darstellung eines Perowskitkristalls

Die Forscher entwickelten dazu ein spezielles Gussverfahren: Sie gossen eine siebzig Grad Celsius heiße Flüssigkeit mit Bleijodid und Methylaminhydrochlorid auf eine aufgeheizte, leitfähige Unterlage. Danach ließen sie die Unterlage rotieren, damit sich die Flüssigkeit möglichst gleichmäßig und dünn verteilte. In dem dünnen Flüssigkeitsfilm wuchsen innerhalb von zwanzig Minuten die bleihaltigen Perowskitkristalle mit der gewünschten Größe. Erste Solarzellen aus diesen neuen dünnen Kristallschichten zeigten einen Wirkungsgrad von 18 Prozent.

Einen anderen Weg hin zu größeren Perowskitkristallen schlugen Dong Shi und seine Kollegen von der King Abdullah University of Science and Technology im saudi-arabischen Thuwal ein. Sie züchteten ungewöhnlich große Kristalle mit wenig Fehlstellen in einem ausgeklügelten Kristallisationsprozess. Die Grundstoffe für die Kristalle – Bleijodid, Bleibromid und Methylaminchlorid – reagierten hier in einer alkoholischen Dampfphase miteinander. Das Resultat waren große Perowskitkristalle mit bis zu einem Zentimeter Kantenlänge. Solarzellen fertigten Shi und Kollegen aus ihren Kristallen bisher jedoch nicht.

Beide Ansätze zeigen, dass sich auch größere Perowskitkristalle in guter Qualität züchten lassen. Diese Laborverfahren bieten damit eine vielversprechende Basis, um Druckprozesse für die Massenfertigung von Perowskitsolarzellen zu entwickeln. Als eine der letzten Hürden müssen diese Zellen aber noch eine Lebensdauer von mindestens zwanzig Jahren erreichen. Sollte es danach zu einer Serienproduktion kommen, schätzen Experten die Modulkosten auf 10 bis 13 Cent pro Watt elektrischer Leistung. Die günstigsten Solarmodule auf Siliziumbasis kosten derzeit um die fünfzig Cent pro Watt.