BELVAL
CLAUDE KARGER

Materialchemiker Dr. Paul Gratia über das Potenzial von Perowskit

Die Solarzellen der Zukunft kommen aus dem Drucker und werden so flexibel sein, dass sie quasi überall eingesetzt werden können. Davon ist jedenfalls Paul Gratia überzeugt. Für den Materialchemiker, der an der renommierten schweizerischen „Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne“ (EPFL) promovierte und nun am „Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST)“ forscht, könnte die Anwendung von Perowskit eine entscheidende Wende bringen.

Herr Gratia, was ist Perowskit?

Paul Gratia Eigentlich muss man von Perowskiten sprechen. Das ist eine große Mineralienfamilie, die in der Natur relativ häufig vorkommt. So besteht zum Beispiel der untere Erdmantel hauptsächlich aus Perowskit. Die Halbleiterfähighkeit einiger Perowskite ist seit Jahrzehnten bekannt und deshalb werden sie bereits in zahlreichen Elektrokomponenten eingesetzt.

Vor ein paar Jahren wurden vielversprechende neue hybride Perowskite im Labor entwickelt. Diese besitzen darüber hinaus sehr interessante photovoltaische Eigenschaften, die man sich zum Beispiel in Solarzellen oder LED’s zu Nutze machen kann. Man kann sie ganz einfach in einem Lösungsmittel auflösen und so mit Hilfe eines Druckers, ähnlich wie eine Zeitung, in extrem dünnen Schichten auf ein Plastik Substrat auftragen.

Da die Perowskit-Solarzellen sehr einfach herzustellen und somit billig sind, ist es sehr wichtig und interessant, ihre Eigenschaften näher zu erforschen.

Das tun sie gerade?

Gratia Ich arbeite momentan an der Charakterisierung von diesen neuen Perowskiten im Nanobereich, das heißt ich erforsche die chemische Zusammensetzung bis ins kleinste Detail.

Hierzu benutze ich unter anderem ein einzigartiges ultrahochauflösendes Helium-Ionen-Mikroskop das mit einem neuartigen Massenspektrometrie-Detektor ausgestattet ist, der kürzlich am LIST von Dr. Wirtz entwickelt wurde. Es war auch der Hauptgrund, weshalb ich mich entschlossen habe, hier weiter zu forschen.

Und was hat das mit Solarzellen zu tun?

Gratia Na, wenn man genau weiß, wie sich ein Material verhält, von dem wir wissen, dass es interessante Perspektiven für die hocheffiziente Umwandlung von Sonnenenergie in Strom bietet, kann man zum Beispiel die Stabilität verbessern oder den noch größtenteils unerforschten Eigenschaften im Nanobereich auf die Spur kommen und somit helfen den Wirkungsgrad der Solarzelle zu verbessern. Das Projekt an dem ich arbeite versucht außerdem Perowskite zu entwickeln die ähnliche Eigenschaften haben, aber umweltfreundlicher als die bisherigen sind.

Ich kann mir jedenfalls vorstellen, dass es in naher Zukunft möglich sein wird, flüssiges Perowskit auf ein Plastiksubstrat zu drucken.

Das wird dann ungleich kosteneffizienter wie etwa die derzeitige Herstellung von Silizium-Solarzellen, die außerdem sehr viel mehr wiegen und nicht überall eingesetzt werden können. Sie können sich ausmalen, was das an Einsparungen in der Produktion, im Transport, in der Montage usw. bringt, wenn sich Perowskit-Solarzellen durchsetzen.

Wie nah ist für sie die Zukunft, von der Sie sprechen?

Gratia Fünf bis zehn Jahre, vielleicht kommt auch schon früher ein Durchbruch. Das Weltwirtschaftsforum hatte 2015 die Perowskit-Anwendung als eine der Top-Technologien der Zukunft gewürdigt.

Auf jeden Fall wird weltweit massiv in dem Bereich geforscht. Ich bin da nur ein Sandkorn in einem riesigen Rad. Im Labor wurden jedenfalls bereits mit Perowskit-Solarzellen Wirkungsgrade erzielt, die jenen von Silizium-Zellen sehr nahe kommen und es gibt noch Luft nach oben, was bei Silizium-Solarzellen kaum der Fall ist. Damit sie sich durchsetzen, muss es möglich sein, sie in industriellen Quantitäten herzustellen, zu einem erschwinglichen Preis. Und natürlich müssen sie auch in energiewirtschaftliche und architektonische Konzepte passen. Für Architekten ist das sehr interessant, denn die Perowskit-Solarzellen können auch teilweise durchsichtig sein. Die Farbe der Solarzellen kann man darüber hinaus sehr einfach ändern. Auch das Recycling ist ein Thema. Bei Silizium ist das sehr schwierig, Perowskite aber könnten ausgewaschen und für eine Weiterverwendung aufbereitet werden.

Sie interessieren sich schon länger für Solarzellen?

Gratia Wie viele andere mache ich mir Gedanken über die Zukunft unseres Planeten und umwelt- und klimaschonende Technologien. Ich hatte auch das Glück, in Lausanne in den Laboren von Professor Michael Grätzel und Professor Md. K. Nazeeruddin mitzuarbeiten, Pioniere der neuartigen Solarzellenforschung. Grätzel hat bereits 1990 einen Prozess entwickelt, der die Photosynthese nachahmt, also den Vorgang mit dem eine Pflanze Sonnenlicht in Energie umwandelt.

Daraus wurden später die Farbstoffsolarzellen, die vor einigen Jahren auf den Markt kamen. Auch daran wird noch intensiv weiter geforscht, um den Wirkungsgrad der Anlagen zu steigern. Der ähnliche Aufbau dieser Farbstoffsolarzellen ermöglichte den extrem schnellen Aufstieg der Perowskit Solarzellen, die noch vielversprechender sind.