Veröffentlicht am: 8. März 2025 / Update vom: 8. März 2025 – Verfasser: Konrad Wolfenstein
Perowskit-Solarzellen: Die Potenziale transparenter Photovoltaik für moderne Gebäude und PV-Projekte – Bild: Xpert.Digital
Transparente Energiewende: Stromerzeugung durch innovative Fenstertechnologie
Perowskit-Solarzellen: Die Zukunftsmacher für intelligente Fenster
Die Entwicklung transparenter Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad eröffnet neue Perspektiven für die Integration von Photovoltaik in Gebäuden. Besonders Perowskit-Solarzellen haben sich in den letzten Jahren als vielversprechender Kandidat für diese Anwendung herauskristallisiert. Mit Wirkungsgraden von bis zu 31,6 Prozent, der Möglichkeit transparenter Ausführungen und kostengünstiger Herstellung könnten sie die Solarenergienutzung revolutionieren. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass die früher problematische Stabilität dieser Zellen deutlich verbessert werden konnte. Zukunftsweisend sind vor allem Anwendungen als intelligente Fensterscheiben, die nicht nur Strom erzeugen, sondern auch ihre Transparenz den Umgebungsbedingungen anpassen können.
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Grundlagen der Perowskit-Solartechnologie
Perowskit-Solarzellen stellen eine relativ neue Entwicklung in der Photovoltaik dar, an der erst seit 2009 intensiv geforscht wird. Ihren Namen verdanken sie dem Mineral Perowskit, dessen charakteristische Kristallstruktur sie aufweisen. Diese Solarzellen basieren auf sogenannten Halid- bzw. Halogenid-Perowskiten, einem Hybridmaterial aus organischen positiv geladenen Komponenten wie Methylammonium-Kationen und anorganischen Metallsalzen wie Bleijodid. Die besondere Materialzusammensetzung und Struktur unterscheidet sich grundlegend von traditionellen Silizium-Solarzellen und macht sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Zukunft der Solarenergie.
Die Funktionsweise der Perowskit-Solarzellen beruht auf ihrer hervorragenden Fähigkeit, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben durch neuartige Photolumineszenz-Messungen herausgefunden, dass freie Ladungsträger in Perowskit-Solarzellen vermutlich in besonderer Weise vor dem Zerfall geschützt sind, was einen wesentlichen Grund für ihren hohen Wirkungsgrad darstellen könnte. Die Lebensdauer angeregter Ladungsträger im Material ist ein entscheidender Faktor für die Effizienz dieser Solarzellen, da sie bestimmt, wie lange die durch Licht freigesetzten Elektronen erhalten bleiben und zur Stromerzeugung beitragen können.
In den vergangenen Jahren hat die technologische Entwicklung dieser Solarzellen beeindruckende Fortschritte gemacht. Während die ersten Perowskit-Solarzellen noch einen bescheidenen Wirkungsgrad von lediglich 4 Prozent aufwiesen, erreichen neueste Modelle regelmäßig Wirkungsgrade von mehr als 20 Prozent. Das Fraunhofer Institut konnte sogar einen Rekordwert von 31,6 Prozent erzielen, während das deutsche Unternehmen Qcells einen Wirkungsgrad von 28,6 Prozent erreicht hat.
Vorzüge transparenter Perowskit-Solarzellen
Die herausragendste Eigenschaft von Perowskit-Solarzellen im Vergleich zu konventionellen Silizium-Modulen ist ihre potenzielle Transparenz bei gleichzeitig hoher Effizienz. Diese Eigenschaft eröffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Bereich der gebäudeintegrierten Photovoltaik. Transparente oder semitransparente Solarzellen können in Fensterflächen integriert werden, wodurch Gebäude nicht nur Licht hereinlassen, sondern gleichzeitig Strom erzeugen können.
Der Grad der Transparenz kann während des Herstellungsprozesses je nach Anforderung angepasst werden, wobei zu beachten ist, dass mit zunehmender Transparenz die Energieumwandlungseffizienz abnimmt. Die höchste gemessene Umwandlungseffizienz bei transparenten Versionen liegt derzeit bei beachtlichen 17,9 Prozent. Im Rahmen des Forschungsprojekts IMPRESSIVE wurde nachgewiesen, dass eine Kombination von Technologien Solarenergie mit einem Wirkungsgrad von 14 Prozent bei einem durchschnittlichen Lichttransmissionsgrad von mehr als 55 Prozent umwandeln kann. Halbtransparente UV-Perowskitzellen erreichen sogar einen Wirkungsgrad von mehr als 10 Prozent bei einem Lichttransmissionsgrad von etwa 60 Prozent.
Neben ihrer Transparenz zeichnen sich Perowskit-Solarzellen durch weitere bemerkenswerte Vorteile aus. Sie sind relativ kostengünstig und einfach herzustellen, ähnlich wie Dünnschicht-Solarmodule. Die Herstellung ist im Vergleich zu Silizium wesentlich weniger energieintensiv, da Perowskite mittels einfacher, skalierbarer Verfahren wie Rolle-zu-Rolle-Drucktechniken produziert werden können. Zudem sind die benötigten Rohstoffe in der Regel reichlich vorhanden, was die Materialkosten niedrig hält.
Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die Leichtigkeit und Flexibilität der Perowskit-Solarzellen. Sie lassen sich als hauchdünne Schichten auf verschiedene Substrate auftragen, was ihre Anwendungsmöglichkeiten erheblich erweitert. Diese Eigenschaft ermöglicht innovative Anwendungen in tragbaren Geräten, Fahrzeugen oder gebäudeintegrierten Photovoltaiklösungen wie Solarfenstern oder Fassadenmodulen.
Innovative Anwendungen in der Gebäudeintegration
Die Möglichkeit, Perowskit-Solarzellen transparent zu gestalten, macht sie besonders attraktiv für die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV), bei der Solarzellen klassische Baumaterialien wie Fenster ersetzen. Die Einbettung des Perowskits zwischen Glasscheiben ermöglicht es, dass die Solarzellen als eigentliche Fassade und Wand eines Gebäudes dienen, während sie gleichzeitig Strom für die Nutzung vor Ort oder die Einspeisung ins Netz erzeugen.
Ein konkretes Beispiel für diese innovative Anwendung präsentierte Panasonic Holdings, die halbtransparente Glasbalustraden mit Perowskit-Solarzellen auf dem Balkon eines Musterhauses südlich von Tokio vorstellten. Diese Prototypen demonstrieren das Potenzial, Perowskit-Technologie in alltägliche Gebäudeelemente zu integrieren. Auch Leipziger Physiker haben eine transparente Solarzelle entwickelt, die direkt auf eine Fensterscheibe aufgedampft werden kann und somit ganze Fassaden in Kraftwerke verwandeln könnte.
Besonders zukunftsweisend sind Entwicklungen im Bereich der thermochromen oder “smarten” Fenster. Wissenschaftler an der University of California in Berkeley haben eine Funktionserweiterung zu einem photovoltaisch aktiven Fenster entwickelt, das bei Temperaturänderung seine Farbe und Transparenz ändert und im verdunkelten Zustand Strom erzeugen kann. Der reversible Wechsel zu einem eingefärbten Solarfenster beruht auf einem Phasenwechsel hauchdünner Perowskit-Schichten.
Im durchsichtigen Zustand liegen die Perowskit-Kristalle in einer kubischen Struktur vor und sind weitgehend transparent, während sie bei einer Temperatur von etwa 105 Grad Celsius in eine weniger transparente, aber photovoltaisch aktive Kristallstruktur übergehen. Diese blockiert etwa zwei Drittel des sichtbaren Lichts und erreicht einen Wirkungsgrad von sieben Prozent. Auf Raumtemperatur abgekühlt und etwas Feuchtigkeit ausgesetzt, lässt sich dieser Phasenwechsel umkehren, und das Fenster wird wieder durchsichtig.
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Thermochrome Eigenschaften für klimaoptimierte Gebäude
Die thermochromen Eigenschaften von Perowskit-basierten Fenstern könnten einen bedeutenden Beitrag zur Energieeffizienz von Gebäuden leisten. Ähnlich wie selbsttönende Sonnenbrillen können diese Fenster bei Temperaturänderung ihre Farbe ändern, wobei die Temperatur – im Gegensatz zur Lichtstärke bei Sonnenbrillen – der ausschlaggebende Faktor ist. Bei steigender Temperatur verfärbt sich die transparente Scheibe graduell gelb, orange, rot oder braun. Je heißer es wird, desto dunkler wird das Glas, wodurch der Raum automatisch und ohne Einsatz einer Klimaanlage gekühlt werden kann.
Dieser Mechanismus kann erheblich zur Reduzierung des Energiebedarfs für Heizung und Kühlung beitragen. Angesichts der Tatsache, dass in Österreich Heizung und Warmwasser für 25 Prozent der CO2-Emissionen verantwortlich sind und sich laut einer Studie der Universität Birmingham die Zahl der Kühlgeräte weltweit bis 2050 auf 14 Milliarden vervierfachen soll, könnten solche intelligenten Fensterlösungen einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten.
Herausforderungen und Lösungsansätze
Trotz der vielversprechenden Eigenschaften stehen Perowskit-Solarzellen vor einigen Herausforderungen, die ihre breite kommerzielle Anwendung bisher einschränken. Ein Hauptproblem ist ihre Stabilität unter realen Umweltbedingungen. Perowskit-Kristalle neigen dazu, ungeordnet und defekt zu wachsen, was zu Stabilitätsproblemen führen kann. Sie erreichen noch nicht die Langlebigkeit von Silizium-Solarzellen und sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Licht und Hitze. Ein wesentlicher Nachteil besteht in der geringeren Witterungsbeständigkeit, da sich das Material bei extremen Wetterbedingungen zersetzen kann.
Die Forschung hat jedoch bereits bedeutende Fortschritte bei der Überwindung dieser Herausforderungen erzielt. Panasonic ist es beispielsweise gelungen, eine chemisch stabilere Variante des Materials herzustellen und es durch den Einsatz von Doppelglas vor Witterungseinflüssen zu schützen. Die belgische Forschungseinrichtung Imec, Partner des Forschungskonsortiums EnergyVille, hat in Zusammenarbeit mit der Universität Zypern einen Durchbruch in der Forschung zu Perowskit-Solarmodulen erzielt. In einer zweijährigen Studie im Freien in Zypern wurde die langfristige Stabilität von Mini-Perowskit-Modulen nachgewiesen, die nach einem Jahr im Freien eine beeindruckende Energieeffizienz von 78 Prozent erreichten – ein Wert, den aktuelle Perowskit-Solarmodule oft nur für wenige Wochen aufrechterhalten können.
Auch im Bereich des Recyclings wurden Fortschritte erzielt. Forscher aus Schweden haben eine Methode entwickelt, um Perowskit-Solarzellen vollständig und umweltfreundlich zu recyceln. Statt wie bisher das giftige Dimethylformamid beim Zerlegen der Zellen zu verwenden, setzt das Team Wasser als Lösungsmittel zum Abbau der zerfallenen Perowskite ein. Alle Teile können danach in einer neuen Perowskit-Solarzelle wiederverwendet werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen – die recycelte Solarzelle hat den gleichen Wirkungsgrad wie das Original.
Für thermochrome Solarfenster bestehen noch spezifische Herausforderungen. Die relativ hohe Phasenwechseltemperatur von knapp über 100 Grad Celsius müsste für praktische Anwendungen weiter gesenkt werden. Zudem könnte die für das reversible Schalten notwendige Feuchtigkeit die Stabilität der Perowskit-Schichten auf Dauer beeinträchtigen. Da sich die Zusammensetzung von Perowskit-Materialien jedoch stark variieren lässt, könnten in weiteren Studien Materialmischungen ohne diese Nachteile gefunden und der Wirkungsgrad noch gesteigert werden.
Marktpotenzial und Zukunftsaussichten
Die Kombination aus Flexibilität, Kostenvorteilen und überragender Effizienz macht Perowskit-Solarzellen zu einem Hoffnungsträger der Energiewende. Marktforscher von IDTechEx prognostizieren, dass der Markt für Perowskit-Photovoltaik bis 2035 ein jährliches Umsatzvolumen von knapp 12 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Diese Technologie könnte in Zukunft Silizium-basierte Module als dominierende Technologie der Photovoltaik ablösen.
Besonders vielversprechend erscheint die Kombination von Perowskit mit Silizium in Tandemzellen, wodurch Wirkungsgrade von bis zu 43 Prozent erreicht werden könnten – ein deutlicher Fortschritt gegenüber reinen Silizium-Modulen. Perowskit-Materialien können speziell angepasst werden, um unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts effizient zu nutzen: Während Perowskit kurzwelliges (blaues) Licht besser absorbiert, punktet Silizium im langwelligen (roten) Bereich.
Für die gebäudeintegrierte Photovoltaik eröffnen transparente Perowskit-Solarzellen völlig neue Perspektiven. Um Passivfenster möglichst zügig durch stromproduzierende Fenster zu ersetzen, arbeiten Forscher daran, die Leistung der Technologien zu optimieren und die Marktreife der durchsichtigen PV-Zellen voranzutreiben. Wenn es gelingt, die noch bestehenden Herausforderungen bezüglich Stabilität und Langlebigkeit zu überwinden, könnten Perowskit-basierte Solarfenster in naher Zukunft einen bedeutenden Beitrag zur dezentralen Energieerzeugung in urbanen Räumen leisten.
Urbane Energiewende: Stromerzeugende Fenster mit Perowskit-Technologie
Perowskit-Solarzellen, insbesondere in ihrer transparenten Ausführung für Fensteranwendungen, stellen eine vielversprechende Technologie für die Zukunft der Photovoltaik dar. Mit ihrer Kombination aus hohem Wirkungsgrad, Transparenz, geringen Herstellungskosten und Flexibilität bieten sie deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Silizium-Solarzellen. Die Möglichkeit, Gebäudefassaden und Fenster in Stromerzeuger zu verwandeln, ohne deren primäre Funktion zu beeinträchtigen, könnte einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende in urbanen Räumen leisten.
Die jüngsten Fortschritte bei der Verbesserung der Stabilität und Langlebigkeit dieser Zellen unter realen Umweltbedingungen sind ermutigend und ebnen den Weg für eine breitere kommerzielle Anwendung. Besonders innovativ erscheinen die thermochromen Eigenschaften einiger Perowskit-basierter Fenster, die nicht nur Strom erzeugen, sondern auch durch Anpassung ihrer Transparenz zur Energieeffizienz von Gebäuden beitragen können.
Während noch einige Herausforderungen zu bewältigen sind, deutet die rasante Entwicklung der Perowskit-Technologie in den letzten Jahren darauf hin, dass transparente Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad bald eine wichtige Rolle in der Architektur und Energieversorgung spielen könnten. Die Zukunft des Bauens könnte durch diese innovative Technologie nachhaltig verändert werden – mit Gebäuden, deren Fenster und Fassaden nicht nur ästhetisch ansprechend sind, sondern auch aktiv zur Energieversorgung beitragen.
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