OptElon: Grundlagenforschung für die Solarzelle der Zukunft
ZHAW-Forscher Wolfgang Tress erforscht neuartige elektro-optische Materialien auf Basis von Perowskit. Damit trägt er zum Grundlagenwissen bei, um mit dem Material künftig möglichst effiziente und stabile Solarzellen zu entwickeln.
Solarzellen sollen effizienter und günstiger werden. Ein vielversprechender Forschungsansatz besteht in der Verwendung des Materials Perowskit. Denn Solarzellen, die auf Perowskit basieren, wandeln Sonnenlicht besonders effizient um. Das Material ist so stark lichtabsorbierend, dass dafür bereits eine ein Mikrometer dünne Schicht ausreicht. Folglich werden nur geringe Mengen an Perowskit benötigt. Auch biegsame Solarmodule sind dadurch möglich. Da für die Verarbeitung keine hohen Temperaturen notwendig sind, lässt der Herstellungsprozess von Perowskit-Solarzellen zudem eine deutlich bessere Energiebilanz als beim heute konventionell eingesetzten Silizium vermuten.
Suche nach der optimalen Solarzelle
Am Institute of Computational Physics (ICP) untersucht Wolfgang Tress diese neuartigen Perowskit-Solarzellen. Der Europäische Forschungsrat unterstützt ihn dabei – als ersten ZHAW-Forscher überhaupt – mit einem «ERC Starting Grant». Ziel des Projekts OptElon ist es, das Material besser charakterisieren zu können. «Am ICP liegt unser Schwerpunkt in der Modellierung. Wir beschreiben die Eigenschaften von Perowskit-Solarzellen mathematisch», sagt Tress. «Im Zentrum steht die Frage, wie die Solarzelle beschaffen sein muss, um einen hohen und gleichzeitig stabilen Wirkungsgrad zu erreichen.» Unter Laborbedingungen konnten bereits Wirkungsgrade von 25 Prozent erreicht werden. Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad von herkömmlichen Siliziummodulen auf dem Markt liegt bei rund 20 Prozent. «Unsere Vision ist es, mit diesen Perowskit-Solarzellen einen Wirkungsgrad von 30 Prozent zu erreichen», so Tress. «Man könnte den Wirkungsgrad aber noch weiter erhöhen, indem man verschiedene Solarzellen quasi aufeinanderstapelt.» Eine sogenannte Tandemzelle aus Perowskit und Silizium könne dann sogar über 30 Prozent erreichen, so der Forscher.
«Im Zentrum steht die Frage, wie die Solarzelle beschaffen sein muss, um einen hohen und gleichzeitig stabilen Wirkungsgrad zu erreichen.»
Wolfgang Tress
Vielfältigen Nutzen schaffen
In bisherigen Untersuchungen an den Perowskit-Zellen konnte Wolfgang Tress bereits aufzeigen, dass die Abnahme im Wirkungsgrad zeitlich reversibel ist. «Der Wirkungsgrad nimmt zwar von Stunde zu Stunde ab, jedoch können sich die Solarzellen über Nacht sozusagen erholen, um dann am Folgetag wieder ihren ursprünglichen Wirkungsgrad zu erreichen», erklärt Wolfgang Tress. Die Gründe für diesen Effekt gilt es noch zu erforschen. Beim Modellieren der Solarzellen setzen die Forschenden auch Machine Learning ein. «Diese Methode kann uns helfen, bestimmte Trends schneller zu erfassen und so frühzeitig die vielversprechendste Richtung einzuschlagen», so Tress. Gleichzeitig hat er aber auch den Anspruch, über das Thema Photovoltaik hinauszugehen. Ein weiteres Ziel sei es, mit dem Material neuartige Bauelemente für elektronische Geräte entwickeln zu können. Mit seiner angewandten Grundlagenforschung wolle er einen vielfältigen Nutzen schaffen, so der Forscher abschliessend.
Auf einen Blick
Beteiligte Institute und Zentren: Institute of Computational Physics (ICP)
Finanzierung: European Research Council (ERC)
Projektdauer: 2020-2025