Photovoltaik

Photovoltaikforschung mit Synchrotronstrahlung

 

© Amran Al-Ashouri /HZB

Sonnenenergie nutzen

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, mittels Solarzellen in elektrische Energie. Das Potenzial der Photovoltaik ist gewaltig - besonders natürlich nahe dem Äquator, wo die Einstrahlungsdichte hoch und die Schwankungen gering sind. Aber auch in Mitteleuropa könnte Studien zufolge 20 bis 30 % des Strombedarfs mit Photovoltaik gedeckt werden. Derzeit werden vor allem statische Anlagen genutzt, die Strom ins Netz speisen, denkbar wäre aber auch eine mobile Nutzung am Ort der Erzeugung, z. B. auf Autos, Taschen oder Kleidungsstücken.

Forschungsziele

Für den Endverbraucher sind vor allem die Kosten und die Leistung einer Photovoltaikanlage entscheidend. Die Forschung zielt daher darauf ab, kostengünstige Solarzellen mit einem hohen Wirkungsgrad zu entwickeln. Dafür können bestehende Techniken wie Siliziumzellen verbessert werden - vielversprechender sind jedoch neuere Systeme, die komplett oder zusätzlich andere Materialien nutzen. So können gleichzeitig nachhaltige Rostoffe verwendet, das Gewicht reduziert und/oder weitere Eigenschaften wie z. B. Dicke und Flexibilität optimiert werden. Für die industrielle Nutzung geht es auch um Haltbarkeit (Stabilität), denn die Solarzellen müssen Wind und Wetter aushalten, und um die Skalierbarkeit für die Herstellung im industriellen Maßstab. Die Materialeigenschaften lassen sich mit Synchrotronstrahlung untersuchen.

Synchrotronstrahlung für das Verständnis von Solarmaterialien

Synchrotronstrahlung ist extrem intensive Strahlung bis in den Röntgenbereich. Es zeigt uns, wie Materialien im Innersten aufgebaut sind und funktionieren. Mit diesem Wissen können wir die Materialien für die Photovoltaik besser verstehen und entsprechend anpassen. Synchrotronstrahlung wird an Großforschungsanlagen wie Speicherringen oder Freie-Elektronen-Lasern erzeugt, in denen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte geladene Teilchen Photonen, intensives Licht (Synchrotronstrahlung) aussenden. In Deutschland gibt es die Synchrotronstrahlungsquellen PETRA III und FLASH am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg, BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), den European XFEL bei Hamburg, mit deutscher Beteiligung die ESRF in Grenoble, Frankreich, die KIT-Lichtquelle in Karlsruhe sowie DELTA in Dortmund.

Solarzelltypen

Die Eigenschaften einer Solarzelle hängen vor allem vom Material des Halbleiters ab, in dem durch Absorption von Lichtteilchen positive und negative elektrische Ladungsträger entstehen, durch deren Transport zu den Elektroden der Solarzelle eine elektrische Spannung erzeugt wird. Mit einem Marktanteil über 90 % sind monokristalline, polykristalline und amorphe Solarzellen auf Siliziumbasis am weitesten verbreitet. Da nur der Wellenlängenbereich absorbiert wird, der in der Größe der Bandlücke des Halbleitermaterials liegt, können diese Zellen nur bis zu einem gewissen Grad optimiert werden. Auf der Suche nach anderen Materialien sind verschiedene weitere Zelltypen entwickelt worden, die unterschiedliche Vorteile haben (z. B. Chalkogenidsolarzellen, Perowskitsolarzellen, Dünnschichtsolarzellen und organische Solarzellen). Dünnschichtsolarzellen bestehen oft aus aus Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid. Hier wird an Materialien ohne ohne kritische Rohmaterialien geforscht, z. B. Kupfer-Zink-Sulfid-Selenid (Kesterit). Organische Solarzellen erreichen noch nicht so hohe Wirkungsgrade, dafür sind sie leicht, felxibel und können auch semitransparent hergestellt werden. Die innere Struktur der aktiven Schicht ist für organische Solarzellen von zentraler Bedeutung, und diese läßt sich mit Synchrotronstrahlung auf der Nanometerskala im Betrieb untersuchen.

Perowskitsolarzellen

Besonders vielversprechend sind die Perowskitsolarzellen, deren Halbleitermaterial Perowskit günstig in der Herstellung ist und Licht mit größeren Wellenlängen absorbiert als Silizium, und zwar sehr effektiv. In Kombination mit Siliziumzellen (sog. Tandemsolarzellen) werden hohe Wirkungsgrade erzielt, und das Potenzial ist noch lange nicht ausgeschöpft. Allerdings muss die Stabilität noch verbessert werden. Um das Material besser zu verstehen, untersucht man Defekte, die Bewegung von Ladungsträgern, die Kristallstruktur, die Stabilität und Phasendiagramme. Dafür ist Synchrotronstrahlung prädestiniert, denn man kann damit bei unterschiedlichen Wellenlänge messen. Außerdem erlaubt das intensive Licht des Synchrotrons schnelle temperaturabhängige Messungen. Auch Grenzflächen kann man gut untersuchen. Das ist wichtig, weil dort leicht Ladungsträger verloren gehen. Eine Übersicht über die Forschung an Perowskitmaterialien bietet das Perovskite Database Project.

Photovoltaikforschung in Deutschland

Grundlagenforschung zu Halbleitern für die Photovoltaik wird in Deutschland an einer Vielzahl von Universitäten und anderen Forschungsinstitutionen betrieben, mit unterschiedlichen Methoden. Auf der Deutschen Tagung für Forschung mit Synchrotronstrahlung, Neutronen und Ionenstrahlen an Großgeräten 2018 (SNI2018) in Garching und auf der SNI2022 in Berlin hat sich das in vielfältigen Beiträgen aus der TU München, FAU Erlangen-Nürnberg, Universität Tübingen, Universität Jena, und Universität Leipzig, dem HZB und der FU Berlin widergespiegelt - oft ging es dabei um Perowskite. Die Elektrizitätseigenschaft eines Halbleiters hängt von der Kristallstruktur ab, welche man mit Synchrotronstrahlung sehr genau bestimmen kann. Leichte Elemente, vor allem Wasserstoff, streuen hier allerdings kaum. Deshalb ist es sinnvoll, in wasserstoffhaltigen Materialien auch Neutronenstreuung zu verwenden.

Ein Zentrum der Photovoltaikforschung in Deutschland ist das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), das die Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II betreibt.Vom Verständnis des Materials bis hin zum optimierten Herstellungsverfahren wird dort in verschiedenen Abteilungen geforscht und auch mit Firmen kooperiert, z. B im Kompetenzzentrum Photovoltaik Berlin in Kooperation mit der TU Berlin und im Helmholtz-Innovationslabor HySPRINT mit dem Fokus auf (opto)elektronischen Materialien und Bauelemente in einem frühen technologischen Entwicklungsstadium. Hier werden Tandemsolarzellen entwickelt und optimiert. Die Effizienz der Perowskit-Tandem-Solarzelle im Labormaßstab lag Ende 2021 bei fast 30%, seitdem wurden weitere Fortschritte erreicht: Die Verwendung von Standard-Silizium-Solarzellen und serienreifen Silizium-Bottom-Zellen der Firma Q CELLS.

Mit seiner Materialforschung am Institute for Photon Science and Synchrotron Radiation, der Arbeitsgruppe Organische Photovoltaik, der Taskforce Perovskite Photovoltaics, und dem Projekt KeraSolar gibt es auch am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) einen Schwerpunkt in diesem Forschungsbereich.

Beispiele aus der Forschung

Die Verbesserung der bewährten Silizium-Solarzellen, die Vorbereitung von neuen Zelltypen auf den Markt - allen voran Perowskit-Tandemsolarzellen - und die Forschung an ganz neuen Materialien für die Photovoltaik bauen auf die Ergebnisse aus der Forschung mit Synchrotronstrahlung auf. Im Folgenden sind einige Pressemitteilungen und andere Informationen dazu herausgegriffen:

Europäische Pilotlinie für innovative Tandem-Solarzellen, HZB/Qcells, 23.11.2022

Die Superkombi: Perowskit trifft Perowskit. HZB, 07.11.2022

Tandemsolarzellen mit Perowskit: Nanostrukturen helfen mehrfach. HZB, 24.10.2022

Photovoltaik: Perowskit-Perowskit-Tandem-Solarmodule vollständig skalierbar. KIT, 13.07.2022

Umweltauswirkungen von Perowskit-Silizium-PV-Modulen geringer als bei Silizium allein. HZB, Oxford PV, 11.07.2022

Dünnschicht-Photovoltaik: Effizient und vielseitig im Doppelpack. KIT, 14.06.2022

Vom Labor in die Fabrik: Tandemsolarzelle mit Rekordwirkungsgrad. HZB / Hanwha Q CELLS GmbH, 07.03.2022

Wie gelingt eine nachhaltige Energieversorgung? Helmholtz, 05.01.2022

Royal Society of Chemistry würdigt HZB-Beitrag über hybride Perowskit-Strukturen. HZB / Univ. Potsdam, FU Berlin, 17.09.2021

Bleifreie Perowskit-Solarzellen – Wie Fluor-Additive die Qualität verbessern. HZB, 26.07.2021

Perowskit-Solarzellen: Einsichten in die Frühstadien der Strukturbildung. HZB, 18.06.2021

Tandem Solar Modules: One-Two Combination Packs a More Powerful Punch. KIT, Capitano project mit dem ZSW und der Firma NICE Solar Energy, 02.09.2019

Perowskit-Material-„Kombo“ bereitet Weg zu hocheffizienten Solarzellen. (KIT Kompakt 05/2019)