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May 26, 2023

Neue Solarmodule erreichen einen Wirkungsgrad von über 30 Prozent

Bei der PV-Technologie sind zwei Zutaten besser als eine. Von Sara Kiley Watson | Veröffentlicht am 7. Juli 2023, 15:30 Uhr EDT Die Solar-PV-Kapazität wächst in den Vereinigten Staaten (und

Bei der PV-Technologie sind zwei Zutaten besser als eine.

Von Sara Kiley Watson | Veröffentlicht am 7. Juli 2023, 15:30 Uhr EDT

Die Solar-PV-Kapazität wächst in den Vereinigten Staaten (und anderswo) rasant. Laut der Solar Energy Industries Association (SEIA) ist der Solarmarkt allein im letzten Jahrzehnt jedes Jahr um 24 Prozent gewachsen. In den USA sind bereits 149 Gigawatt Solarkapazität installiert, die theoretisch 26 Millionen Haushalte mit Strom versorgen könnten. Auch die Zukunft scheint rosig, denn SEIA und Wood Mackenzie prognostizieren, dass sich die Größe des Solarmarkts in fünf Jahren verdreifachen und die Kapazität im Jahr 2028 auf 378 Gigawatt steigen wird. Solarenergie machte im Jahr 2022 weltweit 1,2 Billionen Watt Strom aus.

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Die Entwicklung und Investition in Solarenergie ist für den Aufbau einer saubereren und nachhaltigeren Zukunft von entscheidender Bedeutung, da die Technologie die Produktion großer Energiemengen ermöglicht und dabei keine Treibhausgase ausstößt, die den Planeten schädigen. Die Technologie hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht (und macht seit ihren Anfängen im 19. Jahrhundert große Fortschritte), aber der Wirkungsgrad eines durchschnittlichen Solarmoduls liegt immer noch bei durchschnittlich etwa 15 bis 20 Prozent. Das bedeutet, dass etwa 80–85 Prozent der von unserem Lieblingsstern herabstrahlenden Rohenergie verloren gehen. Ganz zu schweigen davon, dass Silizium-Solarzellen, die am häufigsten eingesetzte Photovoltaik-Technologie, eine theoretische Grenze von etwa 29 Prozent Wirkungsgrad haben.

Wissenschaftler versuchen seit Jahren, dieses Problem zu lösen. Ein Team von NREL hat ein Panel mit einem Wirkungsgrad von 47 Prozent hergestellt, aber leider ist das Modell für den Mainstream-Einsatz etwas zu teuer. Allerdings haben zwei verschiedene Forscherteams, wie in zwei separaten Artikeln beschrieben, die am 6. Juli in Science veröffentlicht wurden, einen Weg gefunden, Silizium-Solarmodulen den dringend benötigten Schub zu verleihen – Perowskit.

Laut der University of Washington ist Perowskit ein Mineral, das die gleiche Kristallstruktur wie Kalziumtitanoxid hat, aber aus mehreren verschiedenen Elementen für unterschiedliche Zwecke bestehen kann. Mit einem Labor-Rekordwirkungsgrad von 25,2 Prozent sind sie auch ein ziemlich solider Halbleiter für Solarmodule.

Die beiden Teams kombinierten Perowskit mit Silizium, um eine Tandem-Solarzelle herzustellen. Diese Technologien sind nicht unbedingt neu – die erste wurde 2009 entwickelt, und ein Team aus Hongkong konnte 2016 den Wirkungsgrad auf rund 25 Prozent steigern. Doch jetzt erreichen Wissenschaftler sogar noch mehr.

In einer Studie verwendeten Xin Yu Chin von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz und sein Team eine Perowskit-Oberzelle und eine Silizium-Unterzelle und fügten während der Verarbeitung der Zellen Phosphonsäurezusätze hinzu. Ihre Zelle erreichte Wirkungsgrade von 31 Prozent.

Das andere Team unter der Leitung von Silvia Mariotti vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie nutzte eine ionische Flüssigkeit namens Piperaziniumiodid, um ihre Tandemsolarzelle zu verbessern und erreichte einen Wirkungsgrad von bis zu 32,5 Prozent.

„Das Überwinden dieser Schwelle schafft Vertrauen, dass leistungsstarke, kostengünstige PVs auf den Markt gebracht werden können“, schrieben die Materialwissenschaftler Stefaan de Wolf und Erkan Aydin, die nicht an der Forschung beteiligt waren, in einem verwandten Perspektivenartikel, der in Science veröffentlicht wurde .

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Auch außerhalb Europas verschärft sich die Konkurrenz – de Wolf, Professor an der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Saudi-Arabien, behauptet, sein Team habe Anfang des Jahres in einem noch unveröffentlichten Testlauf mit Tandemzellen einen Wirkungsgrad von 33,7 Prozent erreicht. LONGi, ein chinesisches Unternehmen, das den Großteil der weltweiten Solarmodule herstellt, gab letzten Monat die Entwicklung eines Tandem-Solarmoduls mit einem Wirkungsgrad von 33,5 bekannt.

So aufregend das alles auch ist, es ist erst der Anfang. Wir brauchen viel mehr saubere Energie, um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und den Planeten lebenswert zu halten.

„Die Überwindung der 30-Prozent-Schwelle gibt Zuversicht, dass leistungsstarke und kostengünstige PV-Anlagen auf den Markt gebracht werden können“, sagte De Wolf dem Guardian. „Um jedoch die mit der globalen Erwärmung verbundenen Katastrophenszenarien abzuwenden, muss die Gesamtkapazität bis 2050 auf etwa 75 TW erhöht werden.“

Sara Kiley Watson ist Nachrichtenredakteurin bei Popular Science, wo sie seit 2021 die Nachhaltigkeitsberichterstattung leitet. Ihre Anstellung bei PopSci begann sie 2017 als Praktikantin, bevor sie sich 2019 dem Team in Vollzeit als Redaktionsassistentin anschloss. Kontaktieren Sie die Autorin hier.