Wissenschaftler der University of New South Wales in Australien haben in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen UtmoLight bei einer Perowskit-Solarzelle mit 30 cm × 30 cm und einer Aperturfläche von 676 cm² einen photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad von 23,5 % erreicht – 0,6 Prozentpunkte mehr als der bisherige Referenzwert und damit ein Weltrekord für den Wirkungsgrad großflächiger Perowskit-Solarzellen.
Dieser Weltrekord zeigt, dass die Perowskit-Solartechnologie auch bei einer Vergrößerung auf eine Fläche, die größer ist als die von Laborzellen (üblicherweise etwa 1 cm²), hohe Wirkungsgrade beibehalten kann, was ihr Potenzial für die skalierte Fertigung und den breiten Einsatz in Solarmodulen unterstreicht. Darüber hinaus besteht der neueste Fortschritt nicht nur in einem neuen Wirkungsgradrekord, sondern auch darin, dass die in der Studie verwendeten Materialien und Bauelemente den Weg von der Laborzelle zur industriellen Anwendung ebnen können.
Perowskit gilt allgemein als vielversprechendes Material der nächsten Generation für die Solarenergie. Es kann Sonnenlicht hocheffizient in elektrische Energie umwandeln und bietet zugleich die Aussicht auf kostengünstige Herstellung. Eine vielversprechende Forschungsrichtung besteht darin, es mit herkömmlichen Siliziumzellen zu Tandem-Solarzellen zu stapeln. Beide nutzen unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums und wandeln gemeinsam mehr Sonnenlicht in elektrische Energie um. Künftig könnte Perowskit als zusätzliche Schicht zunehmend auf bestehende Siliziumzellen aufgebracht werden, sodass Hersteller die Stromerzeugung erhöhen können, ohne die Fläche proportional vergrößern zu müssen.
Allerdings ist Perowskit für eine breite Photovoltaik-Anwendung noch nicht ausreichend geeignet. Sobald es Feuchtigkeit, Wärme und langfristiger Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, zersetzt es sich, was große Herausforderungen für die Langzeitstabilität, die Haltbarkeit und die zuverlässige großtechnische Fertigung mit sich bringt. Je größer zudem ein Perowskit-Modul ist, desto schwieriger ist es, über eine große Fläche hinweg die Gleichmäßigkeit, die Kristallisation und die Defektsituation des Moduls sowie die elektrische Verschaltung präzise zu kontrollieren. Die Skalierung vom kleinen Laborprototyp ist ein Schritt für Schritt kaum zu überwindender Hindernisparcours.
Darüber hinaus wird in herkömmlichen Perowskit-Solarzellen üblicherweise eine Schicht aus Nickeloxid verwendet, um Kurzschlüsse zu verhindern. Nickeloxid kann jedoch auch unerwünscht mit Perowskit reagieren und so ein Instabilitätsrisiko bergen.
In der neuesten Studie verzichtete das Team durch Materialinnovationen und einen anderen Fertigungsweg für die Zelle auf die Nickeloxidschicht, was nicht nur das Verfahren vereinfacht, sondern auch den photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad der hergestellten Zelle erhöht.
Das Team plant, in den kommenden Monaten ein vollformatiges Modul mit einer Fläche von 2,8 m² herzustellen – genau die Größe kommerzieller Photovoltaikmodule – und gleichzeitig die Wirkungsgradtests auf eine größere Skala auszuweiten, um die Ergebnisse weiter zu validieren. Es erwartet, dass größere Perowskit-Zellen einen Wirkungsgrad von 18 % bis 19 % erreichen können. Für eine breite Anwendung dieser Technologie sind jedoch weiterhin Anstrengungen bei Wirkungsgrad, Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilität erforderlich.