27.02.2024 Ressourcen reichen für weltweiten Solarausbau

Forschungsteam analysierte Zukunftsaussichten für neuartige Solarzellen aus Perowskiten

Noch wird an Perowskitsolarzellen hauptsächlich im Labor geforscht, auch durch Lukas Wagner in der Arbeitsgruppe von Jan Christoph Goldschmidt.

Neuartige Solarzellen auf Basis von Perowskiten ermöglichen den für den Klimaschutz erforderlichen weltweiten Ausbau der Photovoltaik, sofern zugunsten einer industriellen Produktion einige der bislang eingesetzten Materialien durch Alternativen ersetzt werden; für andere Materialien ist rasch mit dem Ausbau der Produktion und der Lieferketten zu beginnen. Das hat eine deutsch-schwedische Forschungsgruppe unter Marburger Leitung herausgefunden, indem sie den Ressourcenbedarf der aufkommenden Perowskit-Photovoltaik analysierte. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler berichten im Fachblatt „Joule“ über ihre Ergebnisse.

Will man den menschengemachten Klimawandel eindämmen, so muss die Stromerzeugung aus Sonnenlicht weltweit erheblich ausgebaut werden. „Damit dies auch langfristig gelingt, muss der Wirkungsgrad der Solarmodule weiter kontinuierlich ansteigen und gleichzeitig der Energieverbrauch in der Herstellung sinken“, erklärt der Marburger Physiker Professor Dr. Jan Christoph Goldschmidt, der die Forschungsarbeiten leitete. „Bislang gelingt das der Industrie auf Basis der Siliziumtechnologie, diese stößt aber mittelfristig an ihre Grenzen. Wir wollen eine wirklich nachhaltige Technologie entwickeln, deshalb denken wir jetzt schon an Probleme, die sich erst in zehn oder zwanzig Jahren stellen könnten.“

Solarzellen auf Basis von Perowskiten gelten als zukunftsträchtige Technik, um leistungsfähige Photovoltaikanlagen günstig herzustellen. „Perowskit bezeichnet eine Kristallstruktur, die jener des Minerals Kalziumtitanat ähnelt“ erläutert Goldschmidts Mitarbeiter 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 erheblich dünner sind als die üblichen Siliziumzellen. „Zudem kann man mit Perowskiten mehrere Solarzellen zu sogenannten Tandemzellen übereinanderstapeln. Damit kann man die verschiedenen Farben des Lichts besser ausnutzen und so 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, den die Herstellung von Tandem-Perowskitzellen erfordert, identifizierte potenzielle Versorgungsrisiken für jedes Material und stellte Richtlinien für die weitere Verbesserung von Material und den Bau der Geräte auf. 

„Die Antwort auf die Frage lautet Ja!“, sagt Wagner, „aber: Unserer Analyse zufolge könnte es zu Versorgungsengpässen beim Element Cäsium kommen, das häufig in Perowskit-Tandemsolarzellen mit hohen Wirkungsgraden verwendet wird.“ Einen weiteren Schwachpunkt sieht die Forschungsgruppe in der Nutzung von Indium, das derzeit 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“, betont Wagner. 

„Unsere Arbeit leistet erstmals eine umfassende, quantitative Bewertung des Materialbedarfs und der potenziellen Versorgungsengpässe“, hebt Goldschmidt hervor. „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. 

Originalveröffentlichung: Lukas Wagner & al.: The Resource Demand of Terawatt-Scale Perovskite Tandem Photovoltaics, Joule 2024, DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.024