Marburger Physiker forscht an neuen Wegen für die Solarenergie

Marburger Physiker forscht an neuen Wegen für die Solarenergie der Zukunft
Vergangenes Jahr erreichte die Photovoltaik (PV) einen wichtigen
Meilenstein: Die weltweit installierte elektrische Leistung überstieg den
magischen Wert von einem Terawatt (TW). „Das entspricht ungefähr
eintausend Atomkraftwerken“, erläutert der Marburger Physiker Prof. Dr.
Jan Christoph Goldschmidt. Wieviel PV-Leistung in Zukunft für einen
kosteneffizienten Klimaschutz und zur Deckung der Energiebedürfnisse der
Menschheit notwendig ist, hat eine internationale Forschungsgruppe jetzt
im Fachmagazin „Science“ (Ausgabe vom 7. April 2023) vorgerechnet. Bis zum
Jahr 2050 könnten 75 TW installiert sein. „Die PV leistet dann den größten
Beitrag zur Energieversorgung und um den Klimawandel einzudämmen“, sagt
Co-Autor Goldschmidt.

Eine Herausforderung, die sein Team und er identifiziert haben ist,
langfristig die Energieausbeute zu erhöhen, und zum anderen den
Ressourcen- wie auch den Energieverbrauch bei der Produktion von
Solarzellen weiter zu reduzieren. Wie eine Solarzelle der Zukunft
aussieht, daran forschen Goldschmidt und sein Team in der Marburger
Physik.

Klassische Solarzellen funktionieren auf Siliziumbasis. Deren
Energieausbeute – Fachleute sprechen von Wirkungsgrad – ist physikalisch
bedingt auf rund 29 Prozent beschränkt. Für höhere Wirkungsgrade sind
daher andere Materialien, Materialkombinationen sowie neue Zelldesigns
oder -konstruktionen gefordert „Die Idee ist hier, zwei verschiedene
Solarzellen übereinander zu stapeln“, sagt Goldschmidt. Bei diesen
sogenannten Tandem-Solarzellen wandelt eine klassische Siliziumzelle das
langwellige Licht in elektrische Energie um. Der kurzwelligere, sichtbare
Anteil, der sonst nicht besonders effizient genutzt wird, wird dagegen in
einer zweiten Materialschicht in Strom umgewandelt. Besonders geeignet
sind hierfür sogenannten Perowskite. Hierbei handelt es sich um eine
Kristallstruktur, die erst seit rund zehn Jahren für PV-Anwendungen
erforscht wird.

Energieverbrauch und Ressourceneinsatz weiter reduzieren

Beim Ressourceneinsatz wollen die Forschenden an gleich mehreren
Stellschrauben drehen. Wurde bereits in den Jahren 2000 bis 2022 die
Siliziummenge (Si) pro Megawatt (MW) Leistung von 14 Tonnen auf 2 bis 3
Tonnen reduziert, so dürfte sich das mit noch dünneren Siliziumscheiben
weiter verringern. Da Silizium im Herstellungsprozess die größte
Energiemenge verbraucht, wollen die Forschenden gar komplett auf Si
verzichten. „Ins Spiel kommen Tandem-Zellen aus zwei verschiedenen
Perowskit-Schichten, die wir hier bald herstellen und charakterisieren
wollen“, sagt Goldschmidt. Ferner sollen auch seltene und teure
Materialien wie Silber für die elektrische Kontaktierung immer weiter
verringert und durch Kupfer, Aluminium oder sogar aus Pflanzenreststoffen
erzeugtem Kohlenstoff ersetzt werden. Das setzt detaillierte Forschung an
Materialproben und -systemen voraus, die der Marburger Physiker, der vor
rund einem Jahr vom Fraunhofer-Institut für Solare Energieerzeugung von
Freiburg an den Fachbereich Physik der Philipps-Universität gewechselt
ist, bald in neuen Labors anstoßen will.

Goldschmidt ist sich sicher, dass in den Tandem-Perowskit-Zellen enormes
Potenzial steckt, um den Energiebedarf in Zukunft umweltschonend und das
Klima schützend decken zu können. „Jedes Zehntel Grad Celsius weniger
Klimaerwärmung zählt, um gravierende Klimafolgen zu vermeiden“, sagt
Goldschmidt. Ein schneller Ausbau der PV auf Basis der aktuellen Si-
Technologie jetzt und die langfristige Entwicklung einer noch
effizienteren und Ressourcen-schonender Solartechnik spielt dabei nach
Ansicht des Fachmanns die größte Rolle.