Interview mit Dr. Jun-Ho Yum: Perowskit-Solarzellen und DSSCs

EINLEITUNG 

Der Interviewpartner, Dr. Jun-Ho Yum, forscht an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz zur Entwicklung und Verbesserung von Solarzellen. Spezifisch beschäftigt er sich mit DSSCs (Dye Sensitized Solar Cells), von denen sich in Zukunft eine höhere Effizienz erhofft. Des Weiteren forscht er an Perowskit-Solarzellen, die in Zukunft eine Alternative oder Ergänzung zur gängigen Silizium-Solarzelle darstellen könnten.  

Das Ziel des Interviews ist ein grundlegendes Verständnis über die Themenbereiche des Forschers zu erlangen. 

INTERVIEW 

Zunächst lässt sich festhalten, dass für die Stromerzeugung bewegungsfähige Elektronen benötigt werden, die als Ladungsträger fungieren. Bei der Solarzelle befinden sie sich zunächst im Valenzband des Halbleiters. Zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband liegt die sogenannte Bandlücke. Nimmt ein Elektron genügend Energie auf, z. B. durch Lichtstrahlung, kann es die Bandlücke überwinden und ins Leitungsband gelangen. Dort kann sich das Elektron frei bewegen und es fließt elektrischer Strom. Dieser Vorgang wird in Solarzellen genutzt. 

Klassische Solarzellen bestehen meistens aus Silizium. Das liegt daran, dass Silizium eine geeignete Bandlücke besitzt, um einen Teil des Sonnenlichts zur Stromerzeugung zu nutzen. Außerdem sind Silizium-Solarzellen sehr gut erforscht und langzeitstabil. 

Das eine Fachgebiet von Dr. Yum sind die Dye Sensitized Solar Cells. Diese Farbstoffsolarzellen nutzen Titanoxid als Halbleiter. TiO₂ besitzt eine relativ große Bandlücke von 3,2 – 3,3 Elektronenvolt [2]. Zusätzlich wird ein Farbstoff verwendet, um mehr vom Sonnenspektrum nutzbar zu machen als bei der klassischen Solarzelle . Wird das Licht vom Farbstoff absorbiert, so wird ein Elektron angeregt und vom Titandioxid (TiO₂) weiter transportiert. Problematisch ist die Rekombination, bei der das angeregte Elektron wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren kann. Der spezielle Aufbau der Solarzelle sorgt deshalb dafür, dass die Ladungen möglichst in die gewünschte Richtung transportiert werden. 

Für die Auswahl der Farbstoffe ist zunächst wichtig zu verstehen, dass unterschiedliche Farbstoffmoleküle unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums absorbieren. Um den Wirkungsgrad zu maximieren, bedarf es deshalb eines Farbstoffes mit hoher Lichtabsorption. Roter Farbstoff (N719) absorbiert vor allem Licht im UV- & im sichtbaren Bereich und ist in der Herstellung etabliert. Am geeignetsten ist schwarze Farbe (N749), da sie fast das ganze Sonnenspekrum absorbiert. Allerdings ist die schwarze Farbe in der Herstellung etwa zwei bis vier Mal so teuer.  
Eine weitere wichtige Eigenschaft des Fabstoffs ist, dass er gut an der Oberfläche des Halbleiters binden kann. 

Neben den schon erwähnten Farbstoffsolarzellen, forscht Dr. Yum auch an Perowskit-Solarzellen. Diese bestehen unter anderem aus einer Schicht des Minerals Calciumtitanat (CaTiO₃), in anderen Worten: dem Perowskit-Kristall. Mit der Entwicklung sehr dünner Perowskit-Schichten gab es vor einigen Jahren einen starke Zunahme der Forschung. Dabei stellte sich heraus, dass Perowskit ein breites Lichtspektrum absorbiert. Dennoch ist wichtig zu erwähnen, dass kein einzelner Halbleiter das gesamte Sonnenspektrum optimal nutzen kann. Deshalb wird versucht, verschiedene Halbleiter miteinander zu kombinieren in Form von sogenannten Tandem-Solarzellen. 

Bei einer Tandem-Solarzelle werden mehrere Solarzellen bzw. Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandlücken kombiniert, beispielsweise Perowskit und Silizium. Die obere Schicht absorbiert Licht bestimmter Wellenlängen. Das nicht absorbierte Licht gelangt somit zur nächsten Schicht, die einen anderen Bereich des Sonnenspektrums nutzt. Durch die Absorbtion eines breiteren Spektrums ergibt sich auch ein höherer Wirkungsgrad, der bei circa 40% liegt. Im Vergleich dazu haben industriell gefertigte Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von 17-22% [1]. 

Die größten Probleme der Perowskit-Solarzellen sind die Stabilität und die Anfälligkeit für Feuchtigkeit, da das Material durch Wasser beschädigt werden kann. Sie verlieren innerhalb von ca. 40 Tagen 20% an Absorbtion wohingegen Silizium-Solarzllen maximal 0,5% Effizienz im Jahr verlieren [3]. Ein weiterer Aspekt ist die Toxizität, da viele dieser Solarzellen zur Verbesserung des Wirkungsgrades Blei enthalten, das nicht in die Umwelt gelangen sollte. 

FAZIT  

Das Experteninterview mit Dr. Jun-Ho Yum lieferte interessante und relevante Einblicke in die praktische Forschung an modernen Typen von Solarzellen und ermöglichte eine Erweiterung des theoretischen Horizonts. Sowohl die DSSCs als auch die Perowskit-Solarzellen haben großes Potential in Zukunft die Effizienz der Solarstromerzeugung zu steigern. Im Fokus der zukünftigen Entwicklungen könnten Tandem-Zellen stehen, da sie sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnen. Entscheidend für die effektive Nutzung sind hierbei Lebensdauer, Stabilität, Kosten, Umweltverträglichkeit und industrielle Herstellbarkeit. Deshalb wird weiter geforscht, um Schwachstellen in diesen Bereichen zu beheben und neue Solarzellen zur Marktreife zu bringen. 

QUELLEN 

1. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Dreifachsolarzellen erreichen Rekordwirkungsgrad, URL: https://www.energieforschung.de/de/aktuelles/projekteinblicke/2021/dreifachsolarzellen-erreichen-rekordwirkungsgrad, letzter Zugriff: 27.08.2026 

2. López, R., Gómez, R. Band-gap energy estimation from diffuse reflectance measurements on sol–gel and commercial TiO2: a comparative study. J Sol-Gel Sci Technol 61, 1–7 (2012). https://doi.org/10.1007/s10971-011-2582-9, letzter Zugriff: 27.08.2026 

3. Zhao, Y., Heumueller, T., Zhang, J. et al. A bilayer conducting polymer structure for planar perovskite solar cells with over 1,400 hours operational stability at elevated temperatures. Nat Energy 7, 144–152 (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00953-z, letzter Zugriff: 27.08.2026