Doppelt fängt besser

Was ist besser als eine Solarzelle? Zwei Solarzellen natürlich. Noch besser ist es aber, wenn man zwei Solarzellen in eine verpackt. Genau an solchen Tandem-Solarzellen arbeitet das Team des Empa-Forschers Fan Fu in Dübendorf im Rahmen eines EU-Forschungsprojekts.

Wie der Name andeutet, besteht eine Tandem-Solarzelle aus zwei aktiven Schichten, die beide Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Doppelt so viele Schichten, doppelt so viel Licht, doppelt so viel Energie. Warum stapeln wir unsere Solarzellen also nicht schon lange?

Der Clou liegt im Material der Zelle. Denn keine Solarzelle kann 100 Prozent des einfallenden Lichts zu Strom umwandeln, sondern immer nur einen kleinen Teil davon. Bei heute erhältlichen Zellen aus Silizium sind es rund 25 Prozent. Diese Zahl nennt man auch den Wirkungsgrad. Rein theoretisch, sagen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, könnte man Siliziumzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 33 Prozent herstellen. Dann ist Schluss – mehr ist physikalisch nicht möglich.

Zwei Schichten aus Silizium würden da auch keine Abhilfe schaffen. Denn Silizium absorbiert nur einen bestimmten Frequenzbereich des Sonnenlichts, bestimmte «Farben». Was eine Siliziumschicht nicht einfangen kann, nutzt der zweiten daher auch nichts. Deshalb setzen die Empa-Forschenden auf eine ganz andere Gruppe von Stoffen: Perovskite.

Diese mineralischen Materialien eignen sich dank ihrer Kristallstruktur ausgezeichnet für Solarzellen. Ausserdem: Wenn die Forschenden ihre Zusammensetzung chemisch verändern, können sie ihre physikalischen Eigenschaften genau steuern. Zum Beispiel so, dass eine Art von Perovskit einen ganz anderen Frequenzbereich des Lichts «einfängt» als die andere.

Schichtet man diese zwei Perovskite in dünnen Lagen übereinander, entsteht eine Tandem-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von bis zu 45 Prozent. Doch damit nicht genug: Die Perovskit-Zellen sind auch noch leicht und biegbar sowie günstiger und umweltfreundlicher in der Herstellung als Siliziumzellen. Ihre einzige Schwäche ist ihre Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen – doch auch daran arbeiten die Empa-Forschenden.