Die gierige Leuchte: Warum Sonnenenergie die Welt nicht eroberte und wie das „russische Mineral“ sie retten kann

Solarenergie ist einer der Bereiche, in denen die guten Absichten der Menschheit fast immer den technischen Fähigkeiten und wirtschaftlichen Realitäten voraus sind. Der Schöpfer des ersten Solarmoduls, der amerikanische Erfinder Charles Frits, sagte bereits 1881 voraus, dass gewöhnliche Kraftwerke sehr bald durch Solarkraftwerke ersetzt würden. Und das trotz der Tatsache, dass die von ihm erstellte Installation einen Wirkungsgrad von nur 1% hatte, dh genau so viel Sonnenlicht wurde in Elektrizität umgewandelt. Nach 140 Jahren wurde Charles Fritts Traum nie wahr: Die Sonnenenergie kämpft immer noch um einen Platz in der Sonne mit Windmühlen, Generatoren, geothermischen Quellen und Mineralien. Was verlangsamt die solare Revolution und welche Methoden versuchen, Solarmodule zu verbessern?

Es scheint, als hätten wir nach der Erfindung der Sonnenenergie einen unsichtbaren Draht zum leistungsstärksten Reaktor unseres Planetensystems verlängert, der erst in mindestens fünf Milliarden Jahren ausgehen wird (und wir werden darüber nachdenken). Aber die Menschheit brauchte fast ein Jahrhundert, um die Effizienz des Solarmoduls um nur fünf Prozentpunkte zu steigern - dies geschah, als Wissenschaftler von Bell Labs 1954 eine leistungsstärkere Batterie herstellten.

Trotzdem waren die Fortschritte in der Solarenergie in den letzten Jahren beeindruckend. Sie investieren mehr in sie als in jede andere erneuerbare Energiequelle (RES). Gleichzeitig sind die durchschnittlichen Kosten für „Solarstrom“ seit 2010 von 0,371 USD auf 0,085 USD pro kWh gesunken .


In den letzten Jahren stagnierten die Investitionen in Solarenergie. Quelle: Internationale Agentur für erneuerbare Energien (IRENA), Frankfurter Schule-UNEP-Zentrum / BNEF

Und doch hat Solarenergie die Welt noch nicht erobert. Selbst Deutschland, das im ersten Halbjahr 2019 mehr Energie aus erneuerbaren Energien als aus Kohle und Atom erzeugt hat, hat es nicht eilig, sich von den Braunkohlekapazitäten zu trennen. Bis 2030 sollen sie von derzeit 45 GW auf 37 GW reduziert werden. Gleichzeitig wird der wirtschaftliche Erfolg der Solarenergie nach wie vor weitgehend durch Steuerpolitik und Subventionen sichergestellt . Dies erklärt ein Paradoxon: Die Großhandelspreise für Strom in Deutschland gehören zu den niedrigsten in Europa und die letzten zu den höchsten.

Warum braucht Solarenergie immer noch „Finanzkrücken“? Die Gründe sind folgende:

• Solarenergie ist nach wie vor nicht die effizienteste - der installierte Kapazitätsauslastungsfaktor (KIUM), dh das Verhältnis der tatsächlich erzeugten Energie zur vom Hersteller für Solarmodule festgelegten projizierten Energie, beträgt im Winter 13 bis 18% und im Sommer 30 bis 35%, was unter anderem der niedrigste ist RES sowie Gas und Kohle;
• daher die höheren Kosten für Solarenergie - der weltweite Durchschnitt liegt bei 0,085 USD pro kWh, während bei Bioenergie - 0,062 USD für geothermische Quellen - 0,072 USD für Wasserkraftwerke - 0,047 USD; Nur der engste Wettbewerber ist teurer - Windparks außerhalb des Meeres mit einem Indikator von 0,127 USD, obwohl Offshore-Windparks Energie für 0,056 USD pro kWh liefern.
• Die Instabilität des Eintreffens von Photonen aus der Leuchte zwingt uns, zusätzliche Geräte zur Akkumulation und Verteilung von Energie zu verwenden (wir sprachen übrigens über eine Lösung für dieses Problem).
• Die Solaranlage benötigt viel Platz, sei es eine riesige Station auf dem Feld (und das Land in der Nähe der Städte ist teuer) oder eine elektrische Hausinstallation, an die Sie nicht nur den Wechselrichter und die Batterie anschließen müssen, sondern auch Zugang für Wartungsarbeiten bieten müssen.

Um diese Probleme zu lösen, müssen Sie Solarmodule billiger, effizienter und - im wahrsten Sinne des Wortes - flexibler machen.

Silizium diktieren

Sonnenkollektoren bestehen aus einem Material, das die Energie des Lichts gut einfängt. Typischerweise befindet sich dieses Material zwischen Metallplatten, die eingeschlossene Energie durch die Kette transportieren. In demselben 1954 von Ingenieuren von Bell Labs hergestellten Solarmodul spielte Silizium eine wichtige Rolle. Mit vielen Modifikationen dominiert es immer noch die Produktion von Solarzellen für Solarzellen und macht die Basis von 95% der Module aus.

Seit einem halben Jahrhundert entwickelt die Menschheit verschiedene Arten von Siliziumsolarzellen. Den größten Anteil des Weltmarktes haben polykristalline Siliziumplatten. Sie sind aufgrund der relativen Verfügbarkeit gefragt, was auf eine billigere Produktionstechnologie zurückzuführen ist. Der Wirkungsgrad solcher Panels ist jedoch geringer als der von Analoga (14-17%, maximal - 22%). Eine teurere, aber auch effektivere Option sind einkristalline Siliziumplatten. Ihr Wirkungsgrad beträgt ca. 22% (maximal - 27%).


Welche Technologien zur Herstellung von Sonnenkollektoren dominieren die Welt? Wie Sie sehen können, werden meistens polykristalline Solarmodule (61%) hergestellt, in geringerem Maße Mono (32%) und nur sehr wenige Dünnschichten (amorph) - 5%. Quelle: Fraunhofer-Institut für Solarenergiesysteme; PSE Conferences & Consulting GmbH

Trotz der Fortschritte in Wirtschaft und Technologie von Solarmodulen bleiben ihre Kosten hoch. Hinzu kommen die Kosten für die Erstellung des eigentlichen Kraftwerks (Regler, Wechselrichter, Batterie), ohne das die Batterie nicht funktioniert. In verschiedenen Ländern schwanken diese Werte, aber der Anteil der Ausgaben für die Photovoltaikanlage ist immer noch hoch.


Woraus bestehen die Kosten für ein "Solarkilowatt" in verschiedenen Ländern? Wie Sie sehen, sind in den führenden Ländern bei der Einführung von Solarenergie ein Drittel bis fast die Hälfte der Kosten die Kosten des Moduls. Quelle: Internationale Agentur für erneuerbare Energien (IRENA)

Nicht Silizium Single

Um effizientere Platten zu entwickeln, wurden Dünnschichtmodule (amorphe Module) erstellt. Ihre Essenz ist einfach: Das Lichteinfangmaterial wird in einer sehr dünnen Schicht auf die Folie aufgetragen, wodurch die Platte einfacher und flexibler wird und für ihre Herstellung weniger Materialien erforderlich sind.

Ihr Wirkungsgrad ist zwar viel geringer als der ihrer Kollegen im Solargeschäft - 6-8% für Siliziumoptionen. Dünnschichtsolarzellen gewinnen jedoch an Kosten, da sie eine Schicht aus Lichteinfangsubstanz mit einer Breite von nur 2 bis 8 Mikrometern benötigen, was nur etwa 1% der in herkömmlichen kristallinen Modulen verwendeten Menge entspricht.

Dünnschichtplatten sind jedoch nicht ideal: Aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades benötigen sie etwa das 2,5-fache der Grundfläche. Dies veranlasste die Wissenschaftler, weiterhin nach effektiverem Material zu suchen, das einerseits für die Filmtechnologie geeignet ist und andererseits effektiver sein wird. So entstanden Panels, die auf exotischeren Verbindungen basierten: Cadmiumtellurid (CdTe) und Indium-Kupfer-Gallium-Selenid (CIGS). Diese Elemente sind effizienter - im ersten Fall erreicht der Indikator 22% und im zweiten Fall 21%. Solche Systeme verlieren mit steigender Temperatur an Effizienz und arbeiten bei schlechten Lichtverhältnissen besser. Ihre Kosten sind jedoch aufgrund der Seltenheit der verwendeten Materialien höher als bei Siliziumanaloga. Einige Wissenschaftler glauben sogar, dass solche Panels niemals den Markt dominieren werden, weil sie nicht über genügend natürliche Ressourcen verfügen. Daher ist diese Art von Solarmodul zu einem Nischenprodukt geworden, das für die spezifischen Zwecke eines engen Verbraucherkreises geeignet ist. Am häufigsten werden Dünnschichtplatten von Verbrauchern mit großem Raumangebot verwendet: Produktionsunternehmen, Bürogebäude, Universitäten und Forschungszentren, große Wohnhäuser (mit einem geräumigen Dach) und in der Tat Solarparks - große Kraftwerke. Die Skaleneffekte und die relativ einfache Installation der stärkeren und leichteren Dünnschichtplatten tragen dazu bei, ihre im Vergleich zu kristallinem Silizium relativ niedrigere Effizienz auszugleichen. In der Zwischenzeit wird die Suche nach dem idealen „Fänger“ von Photonen fortgesetzt.

Hallo vom russischen Grafen

Ein Kandidat für die Rolle eines möglichen Retters der Sonnenenergie kann ein Material sein, das Perowskit genannt wird. Das erste davon, Kalziumtitanat, wurde 1839 vom Deutschen Gustav Rosa in den Tiefen des Uralerzes gefunden und nach dem russischen Felsensammler Graf L. A. Perovsky benannt, weshalb er manchmal als „russisches Mineral“ bezeichnet wird.

Wenn es heute um Perowskit geht, handelt es sich meistens um eine ganze Klasse von Substanzen mit derselben dreiteiligen Kristallstruktur, die erstmals in Calciumtitanat nachgewiesen wurde. Obwohl solche Substanzen in reiner Form in der Natur selten vorkommen, lassen sie sich leicht aus der Masse anderer Verbindungen gewinnen, und Perowskitkristalle können künstlich gezüchtet werden. Jeder Teil der Perowskitstruktur kann aus verschiedenen Elementen bestehen, was eine sehr breite Palette möglicher Zusammensetzungen des „Photonenfängers“ ergibt, einschließlich Blei, Barium, Lanthan und anderer Elemente. Es wurde bereits festgestellt, dass die Kombination von Perowskit mit einigen Alkalimetallen die Erzeugung einer Solarphotozelle mit einem Wirkungsgrad von bis zu 22% ermöglicht und die theoretische Leistung von Verbindungen auf Perowskitbasis 31% erreicht.

Die Arbeit mit Perowskit ist jedoch nicht so einfach, und wir von Toshiba waren davon überzeugt. Nach dem Aufbringen auf den Film kristallisiert Perowskit sehr schnell, was es schwierig macht, eine gleichmäßige Schicht über eine große Fläche zu erzeugen. In der Zwischenzeit ist dies die Hauptaufgabe bei der Erstellung einer Solarzelle: die größtmögliche Oberfläche bei gleichzeitig hoher Energieumwandlungseffizienz zu erreichen.

Im Juni 2018 produzierte Toshiba eine Dünnschichtsolarzelle auf Perowskitbasis mit der größten Oberfläche und der weltweit höchsten Energieumwandlungseffizienz. Wie haben Sie das geschafft?

Wir haben die für die Bildung von Perowskit notwendigen Inhaltsstoffe aufgeteilt (Bleiiodidlösung - PbI₂, Methylammoniumhydroiodid - MAI). Zuerst beschichteten wir das Substrat mit einer PbI -Lösung und dann mit einer MAI-Lösung. Dank dessen konnten wir die Kristallwachstumsrate auf dem Film einstellen, wodurch eine gleichmäßige und dünne Schicht mit großer Fläche erzeugt werden konnte.


Technologie zur Herstellung von Solarmodulen auf Perowskit-Basis. Tatsächlich erzeugen wir aus den Bestandteilen von Perowskit „Tinte“ und „schmieren“ sie auf das Substrat. Quelle: Toshiba

Perowskit-Ökonomie

Obwohl es noch zu früh ist, über spezifische wirtschaftliche Indikatoren für die Verwendung von Perowskit zu sprechen, hat das „russische Mineral“ die Voraussetzungen für eine große und erfolgreiche Zukunft, da die breite praktische Verwendung dieses Materials in Solarmodulen nach 2025 prognostiziert wird. Laut Experten des National Renewable Energy Laboratory (NREL) wird die Herstellung von Perowskitplatten zehnmal billiger sein als die von Silizium-Gegenstücken. Nicht zuletzt, weil für die Herstellung der vorherrschenden Siliziumsolarzellen die Verarbeitung des Materials bei einer Temperatur von mehr als 1.400 Grad und dementsprechend hochentwickelte Geräte erforderlich sind. Perowskite können unterdessen in einer flüssigen Lösung bei einer Temperatur von 100 Grad mit einfachen Geräten (wie in unserem Experiment) kontrolliert werden.


Das von uns erstellte Perowskit-Modul hat eine Fläche von 703 Quadratmetern. siehe. Und die Energieumwandlungseffizienz, die wir erhalten haben, erreichte 12%. Quelle: Toshiba

Perowskit-Fotozellen bieten zwei weitere Vorteile: Flexibilität und Transparenz. Dank ihnen können Perowskit-Sonnenkollektoren an verschiedenen Stellen installiert werden: an den Wänden, auf den Dächern von Fahrzeugen und Gebäuden, an Fenstern und sogar an Kleidung.

Durch Einstellen der Dicke der Perowskitschicht ist es möglich, die Transparenz von Solarzellen basierend auf diesem Material zu steuern. Zum Beispiel kann es zur Abdeckung von Gewächshäusern verwendet werden : Pflanzen erhalten die richtige Menge an Photonen, und ein Teil davon wird vom Stromnetz der Farm gespeist. In Japan werden bereits Experimente durchgeführt, um das angemessene Verhältnis von Pflanzen und Lichtpaneelen zu bestimmen.

Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet ist die Ausstattung von Elektroautos mit Solarmodulen auf Perowskitbasis. Wir stehen zwar ganz am Anfang dieses Weges, aber es gibt bereits erste Erfolge. Daher experimentierten Wissenschaftler der Western Reserve University von Cayes (Ohio, USA) mit kleinen Sonnenkollektoren auf Perowskitbasis, um Batterien für Elektrofahrzeuge aufzuladen. Sie verbanden vier Solarzellen auf Perowskitbasis mit Lithiumbatterien. Beim Anschluss kleiner münzgroßer Lithium-Ionen-Batterien erzielte das Wissenschaftlerteam einen Umwandlungswirkungsgrad von 7,8%, was halb so viel ist wie bei herkömmlichen Dünnschichtsolarzellen.

Es ist auch möglich, dass bald Bänder aus Perowskit-Sonnenkollektoren Ihr Hemd oder Ihre Jacke schmücken . Über die Anwendung von Perowskit auf einem Polyurethansubstrat ist bereits bekannt, dessen Wirkungsgrad bei der Absorption der Sonne 5,72% erreichte.

Und in Russland gingen sie in Experimenten mit Perowskit noch weiter. Wie sich herausstellte, kann dieses Material ein guter Emitter sein und eignet sich zur Erzeugung von Licht. Wissenschaftler des Moskauer Instituts für Stahl und Legierungen (MISiS) und der Universität für Informationstechnologie, Mechanik und Optik in St. Petersburg haben eine Solarzelle auf Perowskitbasis entwickelt, die gleichzeitig als Batterie und als LED arbeiten kann . Die Basis ist Halogenperowskit. Zum Umschalten von Funktionen reicht es aus, die an das Gerät gelieferte Spannung zu ändern: Bei einer Spannung von bis zu 1,0 V arbeitet der Prototyp als Solarzelle, und wenn mehr als 2,0 V angelegt werden, wird der LED-Modus eingeschaltet. In Zukunft können Wissenschaftler Glasfilme entwickeln, die tagsüber Energie erzeugen und im Dunkeln Licht emittieren. In diesem Fall überschreitet die maximale Filmdicke 3 Mikrometer nicht, wodurch die Transparenz des Glases erhalten bleibt. Das heißt, es wird nicht dunkel sein.


In fast jeder Hinsicht ist Perowskit seinen Konkurrenten überlegen, einschließlich der durchschnittlichen Stromkosten während der gesamten Lebensdauer einer Solarzelle aus einem bestimmten Material (Levelised Cost of Energy, LCOE). Aufgrund der Toxizität von Perowskitverbindungen sind Schwierigkeiten nur bei der Entsorgung veralteter Paneele möglich. Quelle: Gruppe für Molekulares Engineering funktioneller Materialien (GMF), Schweiz

Skaleneffekte

Perowskit kann also nicht nur aufgrund seiner wirtschaftlichen Erschwinglichkeit, sondern auch aufgrund seines viel größeren Anwendungsbereichs zur Förderung der Solarenergie beitragen: Neben Industrie, Stadt und Landwirtschaft können Paneele auf Perowskitbasis auch im Alltag eingesetzt werden, insbesondere bei der Herstellung von Kleinwäldern Elektronik, Haushaltsgeräte und sogar Kleidung. Und je breiter das Anwendungsspektrum, desto höher die Marktkapazität, die neue Investoren anzieht und die Kosten für Solarstrom senkt.