Eine neue Solarzellen-Generation bringt viel Hoffnung

Solarenergie gehört heutzutage zu den wichtigsten Technologien erneuerbarer Energien. Über 90% aller Solarzellen basieren auf Silizium. Die Entwicklung der Silizium-Zellen ist in verschiedenen Bereichen ausgereizt: Silizium-Zellen können nur auf Glas angebracht werden und sind demzufolge ziemlich schwer (15 – 20 kg/m²), was ihren Einsatz in der Architektur erschwert. Ausserdem können die Zellen nur 30% des einfallenden Lichts verwerten. Die Herstellung der Solarzellen aus Silizium erfordert ultrareine Ausgangsprodukte, die nur über energie-intensive Prozesse gewonnen werden können. Demzufolge muss eine Solaranlage aus Silizium-Zellen lange im Einsatz sein, um überhaupt netto Energie zu produzieren – die sogenannte energetische Amortisationszeit ist also eher lang.

Perowskit-Halbleiter: Der ‘aufgehende Stern’ am Solarzell-Himmel

Vor 10 Jahren wurde erstmals sogenannte «Perowskite» als Solarzellen-Materialien eingesetzt. Die Bezeichnung «Perowskit» bezieht sich hierbei auf eine bestimmte Kristallstruktur, welche aus metallorganischen Verbindungen aufgebaut ist. Perowskite können selbst in hauchdünnen Schichten noch viel Licht verwerten. Die Zellen lassen sich einfach und bei niedrigen Temperaturen herstellen und als halbtransparente Schicht sogar auf Kunststofffolien drucken. Das verspricht völlig neue Anwendungsmöglichkeiten, etwa als «stromproduzierende Fenster». Vergleicht man die Entwicklung von Silizium-Zellen mit jener von Perowskit-Zellen, fällt auf, dass Perowskit-Zellen in nur 10 Jahren Forschung bereits eine vergleichbare Effizienz erreicht haben wie die herkömmlichen Zellen in 40 Jahren Forschungsgeschichte. Beschichtet man nun bestehende Silizium-Zellen mit Perowskit-Solarzellen, kann so die Gesamt-Effizienz erheblich gesteigert werden.

Es gibt allerdings einen Nachteil: Perowskit-Solarzellen enthalten Blei. Zwar gibt es Bestrebungen, Blei zu ersetzen, jedoch kommen die leistungsfähigsten Zellen zurzeit nach wie vor nicht ohne dieses Schwermetall aus. Ist ein Modul nun zum Beispiel durch Hagelschlag beschädigt, kann sich Blei bei Kontakt mit Wasser aus den Zellen lösen.

Wie viel Blei kann aus den Zellen austreten und wie schnell tritt es aus? Gibt es eine Gefährdung für die Umwelt, wenn das Blei aus den Zellen in Boden oder Gewässer gelangt? Wie kann Blei aus alten Modulen recycelt werden? Mit diesen Fragen befassen sich derzeit Forschende der Hochschule für Life Sciences FHNW.

Umwelt im Labor nachgestellt

Im Labor werden nun verschiedene Szenarien betrachtet und mögliche biologische und chemische Umwandlungsprozesse in der Umwelt simuliert. In Schüttelversuchen mit Böden konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass sich ausgetretenes Blei bei Kontakt mit Boden schnell an diesen bindet, also nicht mehr potentiell toxisch und durch Organismen nicht mehr aufnehmbar ist. Des Weiteren liessen Auswaschversuche mit gezielt beschädigten Zellen auf mögliche Umweltkonzentrationen schliessen, also wie viel und wie schnell Blei  im schlimmsten Fall austreten könnte. In wie weit sich Blei-Umweltkonzentrationen unter realen Bedingungen tatsächlich aus Laborversuchen vorhersagen lassen, wird zurzeit in einer Freilandanlage untersucht.

Solarzellen in Wind und Wetter

Auf dem Dach des FHNW Campus Muttenz ist die weltweit erste Freilandanlage zur Umweltfolgenabschätzung von Perowskit-Zellen installiert. Hier sind die Zellen Tag und Nacht Wind und Wetter ausgesetzt, Hitze genauso wie Gewittern mit Hagelschauern. «Je extremer die Bedingungen sind, umso besser», meint Felix Schmidt, Doktorand an der Hochschule für Life Sciences FHNW. Die Perowskit-Schichten sind – wie in der technischen Anwendung - zum Schutz in Plastik- oder Glashüllen eingepackt und haben bisher jedem Wetter Stand gehalten. Ein Hageltest ist allerdings noch ausstehend.

Blei recyclen

Die dritte Frage, mit der sich die Forschenden der HLS beschäftigen ist die Recyclingfrage. Es geht darum Recyclingprozesse bereits jetzt zu entwickeln, bevor Perowskit-Solarzellen den Markt erreichen. «Wir sind daran einen Prozess zu entwickeln, der es ermöglicht, bis zu 99% des enthaltenen Bleis wiederzugewinnen» so Felix Schmidt. «Dies ist neben der Umweltverträglichkeit natürlich auch für die Akzeptanz der Technologie ein entscheidender Punkt».