Das wissenschaftliche Forschungsteam der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur gab kürzlich bekannt, dass es eine Art ultradünne, durchscheinende Perowskit-Solarzelle mit einer Dicke von nur etwa 10 Nanometern entwickelt hat, was etwa einem Zehntausendstel eines menschlichen Haares entspricht. Sie ist etwa 50-mal dünner als herkömmliche Perowskit-Zellen, verfügt aber dennoch über die führende photoelektrische Umwandlungseffizienz unter den ultradünnen Geräten. Es wird erwartet, dass es direkt in transparente Oberflächen wie Gebäudeglas, Autofenster und sogar Smart-Brillen integriert wird und so ursprünglich „passives Beleuchtungsglas“ in einen Energieträger für eine nachhaltige Stromerzeugung verwandelt.

Ein großes praktisches Hindernis für den großflächigen Einsatz von Solarenergie in Städten ist die Frage, wo die Module platziert werden sollen. Herkömmliche Photovoltaikmodule sind nicht nur undurchsichtig und schwer, sondern erfordern auch Schutzglas, Einkapselungsschichten, Metallhalterungen und Installationsstrukturen. Ein haushaltsübliches Panel wiegt 18 bis 23 Kilogramm und hat eine Leistung von etwa 350 bis 450 Watt. Es ist nahezu unrealistisch, dass ein großes Bürogebäude mit Photovoltaik auf dem Dach „autark“ ist. In vielen dicht besiedelten Städten mangelt es zudem an großen Freiflächen für die Errichtung von Photovoltaikanlagen. Die Abdeckung der Außenseite der Glasfassade mit undurchsichtigen und schweren Photovoltaikpaneelen verändert nicht nur das Erscheinungsbild des Gebäudes, sondern beeinflusst auch die Beleuchtungs- und Wärmeleistung. Daher war die Nutzung der großflächigen Glasoberfläche schon immer die Forschungsrichtung in der transparenten Photovoltaik-Technologie.

Der Plan des NTU-Teams besteht darin, Perowskit, das „Starmaterial“ im Photovoltaikbereich des letzten Jahrzehnts, einzusetzen. Diese Art von Kristallmaterial hat möglicherweise niedrige Herstellungskosten, einen hohen theoretischen Wirkungsgrad und kann dennoch eine gute Stromerzeugungsleistung bei schlechten Licht- und Streulichtbedingungen aufrechterhalten. Es eignet sich sehr gut für urbane Canyon-Umgebungen mit hohen Gebäuden und versetzten Schatten. Es kann weiterhin Strom erzeugen, auch wenn die Ausrichtung nicht optimal ist und die Sonneneinstrahlung nicht am stärksten ist, wodurch die Mängel herkömmlicher Zellen auf Siliziumbasis ausgeglichen werden, die stark auf direktes Sonnenlicht angewiesen sind. Das Forschungsteam stellte im Experiment ultradünne Perowskit-Absorptionsschichten mit Dicken von 10, 30 und 60 Nanometern her. Die photoelektrische Umwandlungseffizienz des undurchsichtigen Geräts erreichte bei diesen drei Dicken etwa 7 %, 11 % bzw. 12 %. Auf dieser Grundlage stellten sie auch ein 60 Nanometer dickes durchscheinendes Gerät mit einem Wirkungsgrad von 7,6 % her, das immer noch etwa 41 % des sichtbaren Lichts durchlässt, und fanden so ein Gleichgewicht zwischen „sichtbarer Außenlandschaft“ und „erheblicher Stromerzeugungsfähigkeit“.

Verglichen mit herkömmlichen Solarmodulen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 20 % auf dem Markt ist diese Zahl zwar nicht überwältigend, aber ihre Attraktivität auf Systemebene ist offensichtlich anders, wenn man davon ausgeht, dass das Gerät nahezu „null Gewicht“ hat, bei schlechten Lichtverhältnissen arbeiten kann und direkt in die Glasstruktur integriert werden kann. Noch wichtiger ist, dass die Geräte von NTU „farbneutral“ sind und keinen offensichtlichen Farbstich oder eine Verfärbung des Glases verursachen. Das Erscheinungsbild ähnelt immer noch gewöhnlichem transparentem Glas, was besonders für moderne Gebäude, die auf Fassadeneffekte achten, von entscheidender Bedeutung ist. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass durch die präzise Steuerung der Abscheidungsdicke der Perowskitschicht der Kompromiss zwischen Transparenz und Effizienz während der Herstellungsphase angepasst werden kann, um ihn an die Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien anzupassen.

Ein weiterer Höhepunkt dieser Arbeit ist der Vorbereitungsprozess. Das Team verwendete keine Nassverfahren wie das Lösungsschleuderbeschichten, die derzeit in Labors üblich sind, sondern übernahm die industriell ausgereifte Vakuum-Thermalverdampfungstechnologie: Erhitzen des Materials in einer Vakuumkammer, um es zu verdampfen und in einer ultradünnen Schicht auf der Oberfläche des Substrats abzuscheiden. Die Forscher sagten, dass dies das erste Mal sei, dass ultradünne Perowskit-Solarzellen vollständig durch einen Vakuumprozess hergestellt würden. Diese Technologie ist in der Halbleiter- und Displayindustrie weit verbreitet. Es können großflächige, äußerst gleichmäßige und lösungsmittelfreie Filme erzielt werden, was offensichtliche Vorteile für die zukünftige Großproduktion und Ertragskontrolle hat.

Schätzungen des Forscherteams zufolge könnte diese Technologie, wenn sie in der Technik erfolgreich skaliert und in die Glasfassaden von Hochhäusern integriert wird, beispielsweise in die gesamte Glasfassade eines superhohen Gebäudes wie dem One World Trade Center in New York, theoretisch Millionen Kilowattstunden Strom pro Jahr erzeugen, was ungefähr dem Stromverbrauch von 40 durchschnittlichen amerikanischen Haushalten für ein Jahr entspricht. Teamleiterin Annalisa Bruno, außerordentliche Professorin an der School of Physical and Mathematical Sciences und der School of Materials Science and Engineering der NTU, stellte fest, dass Technologien, die Gebäudeoberflächen nahtlos in stromerzeugende Anlagen umwandeln, immer dringlicher werden, da etwa 40 % des weltweiten Energieverbrauchs auf die bebaute Umwelt entfallen.

Der Weg zur Realität ist jedoch immer noch voller Herausforderungen. Obwohl Perowskit-Photovoltaik im Labor immer wieder Effizienzrekorde aufgestellt hat, war sie auf dem Weg zur Kommerzialisierung immer mit dem „Lebensdauerproblem“ behaftet: Das Material ist empfindlich gegenüber Wasserdampf, Sauerstoff, Hitze und ultravioletten Strahlen und neigt zur Zersetzung, wenn es längere Zeit der Außenumgebung ausgesetzt wird. Die Aufrechterhaltung einer stabilen Leistung über viele Betriebsjahre hinweg ist in diesem Bereich ein anerkannter technischer Engpass. Sam Stranks, Professor an der Universität Cambridge, der nicht an der Forschung beteiligt war, kommentierte, dass die Ergebnisse ermutigend seien, der wichtigste nächste Schritt jedoch darin bestehe, die Langzeitstabilität, Haltbarkeit und Leistung des Geräts auf großen Flächen zu überprüfen. Zwischen der Herstellung kleinflächiger Hochleistungsproben im Labor und der tatsächlichen Produktion von Zehntausenden Quadratmetern „Energieerzeugungsglas“ besteht immer noch eine große technische Lücke.

Sollten die Probleme bei Haltbarkeit und Skalierung jedoch irgendwann gelöst werden, könnten die potenziellen Auswirkungen weitreichend sein. Die Fassaden moderner Städte sind mit viel Glas bedeckt. Neben der Beleuchtung erhöhen diese Gläser auch die Kühllast im Gebäudeinneren. Wenn auch nur ein Teil davon in unsichtbare Stromerzeugungseinheiten umgewandelt werden kann, wird ein neues dezentrales städtisches Energienetz eröffnet, ohne dass zusätzliches Land beansprucht wird. Das NTU-Team ist davon überzeugt, dass die Anwendungsaussichten nicht auf Gebäudefassaden beschränkt sind, sondern sich auch auf Fahrzeugglas, Oberlichter, tragbare elektronische Geräte, Datenbrillen und andere Szenarien erstrecken können. Leichte, lichtdurchlässige Photovoltaikanlagen sollen es einigen Geräten ermöglichen, sich unter täglichem Umgebungslicht langsam aufzuladen, ohne dass herkömmliche „schwarze Panels“ absichtlich freigelegt werden.

Das wissenschaftliche Forschungsteam hat über NTUitive, die Technologietransformationseinrichtung der Nanyang Technological University, einen Patentantrag für diese Art ultradünner Perowskit-Filmstruktur eingereicht und arbeitet mit Industriepartnern an der Verifizierung und Standardisierung des thermischen Verdampfungsprozesses, um den Grundstein für die spätere Industrialisierung zu legen. Derzeit befindet sich diese Technologie noch im Forschungsstadium, sie hat jedoch einen entscheidenden Schritt in Richtung „unsichtbare Photovoltaik“ gemacht und verleiht dem neuen städtischen Energiebild „Fenster erzeugen ihren eigenen Strom“ eine realistischere Vorstellung.