Noch wird an Perowskitsolarzellen hauptsächlich im Labor geforscht. Die industrielle Produktion steht schon in den Startlöchern. Reichen die weltweit verfügbaren Ressourcen dafür aus? Foto Christopher Janas

03.03.2024 (pm/red) Neuartige Solarzellen auf Basis von Perowskiten ermöglichen den weltweiten Ausbau der Photovoltaik, sofern zugunsten einer industriellen Produktion einige der bislang eingesetzten Materialien durch Alternativen ersetzt werden. Eine deutsch-schwedische Forschungsgruppe unter Marburger Leitung hat den Ressourcenbedarf der Perowskit-Photovoltaik analysiert. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler berichten im Fachblatt „Joule“ über ihre Ergebnisse.

Um den  Klimawandel einzudämmen, muss die Stromerzeugung aus Sonnenlicht weltweit ausgebaut werden. Dafür müsse der Wirkungsgrad der Solarmodule weiter ansteigen und gleichzeitig der Energieverbrauch in der Herstellung sinken, erklärte der Marburger Physiker Professor Dr. Jan Christoph Goldschmidt, der die Forschungsarbeiten leitete. „Bislang  arbeitet die Industrie auf Basis der Siliziumtechnologie, stößt aber mittelfristig an ihre Grenzen. Wir wollen eine nachhaltige Technologie entwickeln“

Solarzellen auf Basis von Perowskiten

Solarzellen auf Basis von Perowskiten gelten als zukunftsträchtige Technik, um leistungsfähige Photovoltaikanlagen günstig herzustellen. „Perowskit bezeichnet eine Kristallstruktur, die der des Minerals Kalziumtitanat ähnelt“ erläutert Dr. Lukas Wagner, der Erstautor des Fachaufsatzes. „Für Anwendungen in Solarzellen werden Perowskite aus Metall-Halogeniden verwendet. Diese Materialien vereinen einfache Herstellung und geringen Materialaufwand mit einem hohen Wirkungsgrad. Mit Perowskiten kann man Solarzellen bauen, die dünner sind als Siliziumzellen und mehrere Solarzellen zu sogenannten Tandemzellen übereinanderstapeln. Damit kann man aus jedem Sonnenstrahl mehr elektrische Leistung herausholen“, führt Goldschmidt aus

Ist es möglich, eine weltumspannende erneuerbare Energieversorgung mittels Photovoltaik auf Basis neuartiger Perowskitsolarzellen zu realisieren?

Um diese Frage zu beantworten, analysierte das Forschungsteam den Materialbedarf für die Herstellung von Tandem-Perowskitzellen und identifizierte potenzielle Versorgungsrisiken für jedes Material.

„Die Antwort auf die Frage lautet Ja!“, sagt Wagner, „nach unserer Analyse könnte es zu Versorgungsengpässen beim Element Cäsium kommen, das häufig in Perowskit-Tandemsolarzellen mit hohen Wirkungsgraden verwendet wird.“ Ein weiterer Schwachpunkt  wäre die Nutzung von Indium, das oft beim Bau von Elektroden verwendet wird. „Perowskit-Solarzellen können nur dann einen signifikanten Beitrag zum Klimaschutz leisten, wenn die Forschung Alternativen zu Indiumoxid-Elektroden entwickelt“.  Goldschmidt betont: „Unsere Arbeit leistet eine quantitative Bewertung des Materialbedarfs und der potenziellen Versorgungsengpässe. Um beim Ausbau der Photovoltaik nicht in eine Sackgasse zu geraten, müssen wir jetzt beginnen, Produktionskapazitäten aufzubauen und wo nötig alternative Materialien einzusetzen.“

Professor Dr. Jan Christoph Goldschmidt lehrt Experimentalphysik an der Philipps-Universität und forscht zu solarer Energieumwandlung. Neben seiner Arbeitsgruppe beteiligten sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Uppsala, vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung und von den Fraunhofer-Instituten für Solare Energiesysteme (ISE) sowie für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) an der Studie. Die Europäische Union und der Schweizerische Nationalfonds förderten die Forschungsarbeit finanziell.

—> Lukas Wagner & al.: The Resource Demands of Terawatt-Scale Perovskite Tandem Photovoltaics, Joule 2024