Dächer und „Flugflügel“ könnten mit diesen leistungsstärkeren Perowskit-auf-Silizium-Solarmodulen ausgestattet werden.
Versteckt am Stadtrand von Oxford sieht das Forschungs- und Entwicklungszentrum für Solarenergie aus wie jede andere triste Industrieanlage in der Oktobersonne.
Aber für Liebhaber grüner Energie ist das Labor von Oxford PV genauso aufregend wie Charlies Schokoladenfabrik.
Dutzende Solarzellen werden zu Beginn des Tages an Wissenschaftler verteilt, die sich an die Experimente machen: Sie optimieren ihre Zusammensetzung, testen sie in Klimakammern einem Stresstest und zoomen unter Mikroskopen heran, um die guten von den schlechten Zellen zu trennen.
Ihre geheime Zutat? Perowskit, eine Kristallstruktur, die die Effizienz von Solarmodulen erhöht, wenn sie auf herkömmliche Siliziumzellen aufgetragen wird.
Oxford PV, das aus einem Forschungsprojekt der Universität Oxford hervorgegangen ist und über eine Fabrik in der Nähe von Berlin verfügt, ist führend bei der Herstellung von Perowskit-auf-Silizium-Tandemsolarzellen.
In guter Gesellschaft befindet man sich im Oxford Pioneer Park, wo sich auch Experten intensiv mit Elektromotoren und der Kernfusion beschäftigen.
Oxford PV profitiert nun von der Vorreiterrolle bei Perowskit, mit umfangreichen geistigen Eigentumsrechten und einem Deal mit einem US-amerikanischen Versorgungsunternehmen in der Tasche.
Perowskit-auf-Silizium: der nächste große Solar-Durchbruch?
Niemand muss davon überzeugt werden, dass es in der Zukunft viel Solarenergie geben wird. Solar- und Windenergie sind nicht nur besser für das Klima und die Energiesicherheit, sondern sind mittlerweile in fast allen Ländern die kostengünstigste Möglichkeit, die Stromerzeugung zu erhöhen.
Doch herkömmliche Silizium-Solarzellen stoßen an ihre Effizienzgrenze, nämlich etwa 26 Prozent Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln.
„Wir wurden 2010 mitten in der letzten Welle des Solarsterbens gegründet, sei es in Europa aufgrund der chinesischen Konkurrenz oder in den USA aufgrund des Scheiterns einiger der damals neuen Dünnschicht-PV-Unternehmen“, sagte Oxford PV-CEO David Ward erzählt The European Circle Green.
Im letzten Jahrzehnt gab es kaum etwas, was die etablierte Position von Silizium in Frage stellen konnte – was oft die Mindestzeit ist, die es dauert, bis eine neue Hard-Tech-Innovation durchkommt.
Oxford PV erlebt erst jetzt, wie die kommerzielle Welt das Potenzial von Perowskit-auf-Silizium erkennt und im Jahr 2020 einen Weltrekord-Wirkungsgrad für eine Zelle von 29,5 Prozent erreichte.
Seitdem kam es zu einem „Aufschwung“ von Unternehmen im Perowskit-Silizium-Tandem-Bereich, die Ward als „Aufschwung“ bezeichnet und die zumeist aufholen müssen.
„Der Wendepunkt ist wirklich schnell, und das war in der gesamten PV-Branche bei allen Silizium-Generationen der Fall“, fügt Ward hinzu.
Was genau ist Perowskit und wie funktioniert es?
Perowskit bezieht sich auf ein im 19. Jahrhundert in Russland entdecktes organisches Mineral, das nach dem Mineralogen Lev Perovski benannt wurde. Es beschreibt auch die Kristallstruktur dieses Mineraltyps, der verschiedene Atome enthalten kann.
Der Perowskit von Oxford PV wird maschinell hergestellt (was ihn billig macht) und ist ein Halbleitermaterial, das sich gut für die Gewinnung von Sonnenlicht eignet, erklärt der stellvertretende Chief Technology Officer Ed Crossland.
Bei einem normalen Solarmodul werden Siliziumbarren in sehr dünne Wafer geschnitten und so ausgebreitet, dass sie die größtmögliche Fläche abdecken. Anschließend werden Metallkontakte hinzugefügt, die das Siliziummaterial aktivieren. Insgesamt werden rund 60 Zellen zu dem Panel zusammengefügt.
Bei den Tandemzellen wird Perowskit in einer noch dünneren Schicht aufgetragen (etwa 1 Mikrometer bis 150 Mikrometer auf einem Siliziumwafer), wodurch praktisch zwei Zellen in einer entstehen. Der Perowskit ist für das bloße Auge unsichtbar, absorbiert jedoch ein höheres Energiespektrum der Sonne, als Silizium aufnehmen kann.
Durch die Erzeugung von mehr Strom pro Panel ist „Perowskit-auf-Silizium die nächste Technologieidee, die Solarenergie über das hinaushebt, was Silizium allein leisten kann“, sagt Crossland. Wo Silizium eine theoretische Effizienzgrenze von 29 Prozent hat, könnte die Tandemzelle 43 Prozent erreichen.
Die zusätzlichen Kosten für das Hinzufügen der Perowskitschicht werden durch den Wert dieser zusätzlichen Energie mehr als aufgewogen, erklärt Ward und macht es für kommerzielle Partner zu einem „Selbstverständlich“.
Wofür können Perowskit-auf-Silizium-Panels verwendet werden?
Ein Spektrum von Kunden hat ihr Interesse an Perowskit-auf-Solarmodulen bekundet – von Hausbesitzern bis hin zu großen Versorgungsunternehmen.
Im September 2024 lieferte Oxford PV seine Module an ein nicht genanntes US-Versorgungsunternehmen, was den weltweit ersten kommerziellen Einsatz der Perowskit-Tandem-Solartechnologie darstellte.
Die Module werden in der Ecke eines neuen Solarfelds installiert und überwacht, damit das US-Unternehmen die Vorteile vergleichen kann.
Neben der Kernfertigung für Solardächer und -felder kann das Werk von Oxford PV in Brandenburg auch Zellen für speziellere Anwendungen wie die Luftfahrt herstellen.
Solarpaneele ermöglichen es UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), die für 5G, militärische Überwachung und Satellitenkartierung eingesetzt werden, wie „ein großer fliegender Flügel“ zu funktionieren, erklärt Ward.
Da die Flügel durch Gewicht und Größe begrenzt sind, ist die Leistung, die diese neuen Solarzellen liefern können, „absolut strategisch“.
Perowskit-auf-Silizium-Paneele könnten es UAVs ermöglichen, länger über Wasser zu bleiben oder in einem nördlicheren Breitengrad zu fliegen, wo die Sonne schwächer ist.
Wissenschaftler im Oxfordshire-Labor testen ständig neue Ideen und Materialien, bevor sie Prototypen nach Brandenburg schicken, um zu beweisen, dass sie skalierbar sind. Allerdings schafft es nur ein Bruchteil so weit: „In einer kommerziellen Einrichtung kann man die Rezepte nicht täglich ändern“, fügt Ward hinzu.
Allerdings handelt es sich bei der deutschen Fabrik noch nicht um eine Gigawatt-Anlage, und Oxford PV möchte gerne mit anderen Firmen zusammenarbeiten, um das volle Potenzial von Perowskit für unsere sich schnell elektrifizierende Welt auszuschöpfen.
„Ein Ökosystem zu haben ist großartig“: Wie Solartechnologieunternehmen zusammenarbeiten
Angesichts der Reichweite seiner frühen Patente ist die Zusammenarbeit ein zentraler Pfeiler der Pläne von Oxford PV.
„Es ist ziemlich schwierig, eine Perowskit-auf-Silizium-Solarzelle zu bauen, ohne große Anstrengungen unternehmen zu müssen, um den IP-Satz zu umgehen, den wir haben“, sagt Ward.
„Wir versuchen nicht, alles für uns zu behalten, aber wir würden gerne involviert sein, wenn Menschen unser geistiges Eigentum nutzen, um es auf den Markt zu bringen.“ Neben der Lizenzierung bietet das Unternehmen wertvolles Know-how, um Partner auf den neuesten Stand zu bringen.
Die meisten neueren Start-ups konzentrieren sich auf China und, unterstützt durch eine strategische Ausrichtung auf PV, auf die USA.
In Europa steigen bestehende Energie- oder Siliziumunternehmen zunehmend in Perowskit-Tandems ein, wie beispielsweise Enel in Italien.
„Ein Ökosystem zu haben ist großartig“, sagt Ward. „Für den gesamten Markt ist es viel einfacher zu entscheiden, dass man dort hin will, als zu sagen: ‚Hey, wir sind die einzigen Leute hier‘, weil die Evangelisierung, die man dem Kundenstamm und den Investoren machen muss, so viel schwieriger ist.“
Der CEO ist zuversichtlich, dass es noch eine Weile dauern wird, bis eine neue Innovation auf den Markt kommt, die Perowskit in den Rückspiegel rückt. Und angesichts des COP28-Ziels, die Kapazität erneuerbarer Energien bis 2030 zu verdreifachen, müssen Unternehmen in bereits vorhandene Technologien investieren.
„Trotz all der negativen Nachrichten über die europäische Produktion und die europäische Photovoltaik haben wir eine neue Anlage, die neue Technologien auf eine Art und Weise anwendet, die einfach nicht mit der alten Silizium-Solartechnik zu vergleichen ist. China hat im eigenen Maßstab und mit seinen Bemühungen sehr gute Arbeit dabei geleistet, Solarenergie kostengünstig zu machen“, sagt Ward. „Aber das ist ein neues Paradigma.“
