08:53 16 Dezember 2019
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    Energierevolution: Wie Solarzellen zugänglicher werden

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    Sonnenbatterien stehen seit Jahrzehnten im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit von Forschern weltweit; scheinbar steht die Menschheit kurz vor einer Revolution im Bereich Sonnenenergie. Sputnik sprach mit dem führenden Spezialisten im Bereich Photovoltaik und Sonnenenergie, Professor der Ben-Gurion-Universität des Negev in Israel, Jewgeni Kaz.

    Herr Kaz, in den letzten Jahren wird viel über Perowskit gesprochen. Bereits 2016 wurde vorhergesagt, dass „das Jahr 2017 das Wendejahr für hocheffektive Perowskit-Sonnenbatterien“ sein kann. Kam es zu einer Revolution? Womit ist diese hohe Aufmerksamkeit für Perowskit verbunden?

    Wir sind Augenzeugen wenn nicht einer Revolution, dann eines sehr starken Evolutions-Sprungs – bei der Entwicklung der Technologie zur Herstellung effektiver Solarzellen auf der Basis einer neuen Familie der organisch-nichtorganischen Halbleiter – so genannter  Perowskite aus Metallhalogeniden.

    Machte der Nutzeffekt solcher Geräte 2007 nicht mehr als drei Prozent aus, ist diese für die Sonnenenergie so wichtige Kennzahl heute höher als 24 Prozent. Das ist sehr viel, es kommt fast auf den Rekordwirkungsgrad der bisher gebräuchlichsten Solarzellen auf Grundlage kristallinen  Siliziums nahe.

    Dabei verstehen alle, dass Perowskit-Elemente sehr billig sein werden, weil fast alle aktiven Schichten in diesen dünnschichtigen Geräten aus Lösungen mit dem Drucker gedruckt werden können.

    Doch das größte Interesse an dieser neuen Technologie ist gar nicht damit verbunden. Heute wird der Industriemarkt von Silizium-Sonnenbatterien beherrscht. Ihr Nutzeffekt hat beinahe die theoretische Obergrenze erreicht. Es ist nicht ganz klar, wo man sich weiter hinbewegen soll.

    Das Auftauchen der Perowskit-Elemente änderte diese Situation: Versuche werden unternommen, ein so genanntes Tandem- bzw. zweigängiges Sonnenelement zu schaffen, das de facto aus zwei Elementen besteht – einem oberen (für das einfallende Sonnenlicht) aus Perowskit und einem unteren aus Silizium.

    Das Gute dabei ist, dass die Schichtung des billigen Perowskit-Elementes den Preis des Silizium-Geräts fast nicht erhöht, wobei seine Effizienz jedoch stark zunimmt. Während die Rekordeffizienz der heutigen Silizium-Elemente bei rund 26 Prozent liegt, macht sie bei Perowskit-Silizium-Elementen bereits 28 Prozent aus. Wir haben also eine Art psychologische Grenze überschritten und können ernsthaft über die Möglichkeit einer Effizienzerhöhung bei Tandem-Elementen auf 30 bis 35 Prozent sprechen.

    Wenn es dazu kommt, dann wird es tatsächlich eine Revolution sein! Damit hängt das größte Interesse zusammen. Deswegen arbeiten hunderte und vielleicht auch tausende Labore auf der ganzen Welt daran, investieren viel Geld in die Erforschung und Schaffung der industriellen und halbindustriellen Modelle.

    Was bremst die Perowskit-Revolution?

    Der größte Nachteil der Perowskit-Elemente ist meines Erachtens ihr ziemlich schneller Verfall wegen des Sonnenlichts.

    Die Einsatzdauer der Silizium-Elemente liegt heute bei 25 Jahren, bei Perowskit-Elementen ist es weniger als ein Jahr. Das ist der größte Nachteil, der die industrielle Anwendung dieser Technologie verhindert.

    Wir versuchen, die so genannte Operations-Stabilität dieser Geräte zu erhöhen. Unsere Aufgabe ist, Elemente zu schaffen, die eine hohe Effizienz mit einer langen Einsatzdauer vereinen würden. Dazu muss man die physikalisch-chemischen Mechanismen des Verfalls verstehen.

    Gibt es Sonnenbatterien, bei denen andere Technologien außer Silizium und Perowskit eingesetzt werden?

    Auf Labor-Niveau gibt es sehr viele solche Technologien, die verschiedene Halbleitermaterialien, sowohl nichtorganisch, als auch organisch, nutzen, sowie verschiedene Varianten der Geräte-Architektur. Lange Zeit erfolgte die Entwicklung und sogar industrielle Anwendung vieler Technologien parallel. Heute dominieren auf der Ebene der industriellen Produktion der Stromenergie vollständig die Silizium-Sonnenbatterien.

    Was würde die Anwendung der Tandem-Technologie bei Sonnenbatterien einfachen Menschen ermöglichen – ist sie billiger oder umweltfreundlich?

    Der Strom wird tatsächlich billiger. Aus der Sicht der Umwelt ist alles nicht so eindeutig. Perowskit besteht teilweise aus Blei, und das ist nun einmal nicht das umweltfreundlichste Element im Periodensystem. Deshalb versucht man jetzt, Blei in seiner Struktur durch etwas zu ersetzen. Aber selbst in der heutigen Dünnfilmtechnologie gibt es viel weniger Blei als in der Siliziumtechnologie, wo Blei beim Löten der Elemente eingesetzt wird. Die kardinale Frage ist dabei aus meiner Sicht auch die Stabilität der Elemente.

    Versuche zur Erforschung und Verwendung der Perowskite werden in vielen Ländern unternommen. Kann Russland an diesem Rennen vollwertig teilnehmen? Welche Rolle könnte dabei die MISiS-Universität spielen?

    Einst spielten zwei Länder die führende Rolle bei der Entwicklung von fotoelektrischen Solarbatterien – die USA und die Sowjetunion. Das war durch die Notwendigkeit bedingt, ihre Raumapparate mit Energie zu versorgen. 1958, nur zwei Jahre nach dem Weltraumstart des ersten sowjetischen „Sputniks“ (und vier Jahre nach der ersten Präsentation des Silizium-Solarelements in den USA), wurden in beiden Ländern Satelliten mit Solarbatterien („Sputnik-3“ und „Vanguard-1“) ins All gestartet.

    In der Sowjetunion entwickelte sich die Fotoelektroindustrie enorm schnell. Diese Arbeit wurde von Professor Arkadi Landsman geleitet – sein Name sollte meines Erachtens heute erwähnt werden, wie auch der Name des Nobelpreisträgers Schores Alfjorow natürlich, in dessen Labor Hetero-Übergänge und Solarelemente mit Mehrfach-Übergängen auf Basis des  Galliumarsenids entwickelt wurden.

    In Russland erlebten die angewandte Wissenschaft und die ganze wissensintensive Produktion nach der „Perestroika“ eine große Krise (möglicherweise ist sie immer noch nicht vorüber). Junge Menschen mussten ihre Familien unterhalten und ihren Beruf wechseln – oder das Land verlassen.

    Bei der heutigen Wissenschaft handelt es sich um eine internationale Community. Und dabei ist es schlicht unmöglich, den Ideenwechsel (und auch den Personalwechsel) zwischen verschiedenen Ländern zu beschränken. Jegliche Maßnahmen in dieser Richtung wären schädlich für die Wissenschaft.

    Es ist aber möglich (und wichtig), Bedingungen dafür zu schaffen, dass Forscher nach Russland zurückkehren. Ich sehe positive Veränderungen auf diesem Gebiet. Vor allem meine ich ein ganzes System von „Megazuschüssen“, um ausländische Wissenschaftler in führende Labore Russlands zu locken.

    So hat beispielsweise die MISiS-Universität einen der führenden Perowskit-Forscher der Welt, Professor Aldo Di Carlo, eingeladen. Seine Aufgabe ist, im Laufe von drei Jahren hier ein Labor zu bilden, das sich mit der Erforschung und Produktion von Perowskit-Solarelementen befassen würde. Mir ist das besonders angenehm, denn ich bin selbst MISiS-Absolvent (Jahrgang 1982) und begann hier meine Fotoelektroforschungen, geleitet von Professor Semjon Gorelik.

    Ein anderer erfolgreicher Teilnehmer des „Megazuschuss“-Systems ist das Forschungsinstitut SkolTech. Dort ist übrigens die Gruppe des Professors Pawel Troschin aktiv, der absoluter Führer der russischen Perowskit-Forscher ist und viele Jahre lang mein Kollege und Co-Autor war.

    Meines Erachtens ist Russlands größtes Potenzial mit der Intelligenz seiner Studenten und jungen Forscher verbunden. Es gilt, dieses Potenzial aufrechtzuerhalten. Sonst können weder neue Labore gebildet noch neue Technologien entwickelt werden.

    Inwieweit sind Perowskite einmalig? Können dieselben Perowskite bei der Beleuchtung, in Laseranlagen oder Bildschirmen eingesetzt werden?

    Der Begriff „Perowskit“ stammt vom Namen des Minerals CaTiO3. Heutzutage bezeichnen wir viele Stoffe mit Kristallgittern, die der Struktur dieses Minerals ähnlich sind, als Perowskite. Deshalb sind sie durchaus universal und werden auf ganz verschiedenen Gebieten verwendet. Es ist dasselbe, als würde man fragen, auf welchen Gebieten Metalle verwendet werden. Aber selbst auf Basis der Metall-Halogen-Perowskite, die in Solarelementen eingesetzt werden, wurden auch andere Anlagen entwickelt, beispielsweise Leuchtdioden, Laser, verschiedene Sensoren.

    Viele Länder, die unter Sonnenmangel leiden, glauben, Solarbatterien wären unter solchen Bedingungen ineffizient. Könnte sich die Situation dank Perowskit-Technologien ändern?

    In nördlichen Ländern wird die Technologie, die so genanntes direktes Sonnenlicht braucht, schlecht funktionieren, weil seine Intensität wegen der Wolken viel geringer wird. Es gibt aber auch zerstreutes Licht. Solarbatterien funktionieren besser, wenn es viel Licht gibt, aber auch wenn es wenig Licht gibt, werden sie funktionieren.

    Aktuell sind Solarelemente dermaßen billig geworden, dass ihre Anwendung in allen Ländern günstig sein wird. Und wenn die Idee mit Perowskiten weiter entwickelt und umgesetzt wird, werden sie noch günstiger.

    Das Interview wurde im Rahmen der 20. Internationalen Konferenz für Lichtleiterstoffe „Physik der verbundenen Zustände – Licht als Stoff von Nanostrukturen“ (International conference on physics of light-matter coupling in nanostructures – PLMCN-2019) durchgeführt, die von der MISiS-Universität organisiert wurde.

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    Tags:
    Solarenergie, Russland, Israel