Einem Team der Universität Stuttgart und internationaler Forschenden ist es gelungen, Perowskit-Solarzellen effizienter und widerstandsfähiger gegenüber Umwelteinflüssen zu machen. Dies ist ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung der Anwendung einer Technologie, an die sich viele Hoffnungen für die Photovoltaik knüpfen.
Perowskit-Solarzellen sind eine vielsprechende Technologie für die Photovoltaik. Sie sind hocheffizient und gleichzeitig einfacher und günstiger herzustellen als herkömmliche Siliziumzellen.
“Wir haben in letzter Zeit viel erreicht, um Perowskit-Solarzellen besser gegen Licht, Hitze, Feuchtigkeit und Spannung zu schützen. Aber sie unter wechselnden Umwelteinflüssen zuverlässig zu betreiben, ist immer noch eine Herausforderung”, sagt Prof. Michael Saliba, Leiter des Instituts für Photovoltaik (ipv) der Universität Stuttgart.
Optimale Materialmischung gesucht
Mit einer optimierten Materialmischung haben es die Wissenschaftler*innen aus China, Deutschland, Großbritannien, Spanien, Italien und der Schweiz nun geschafft, diesem Ziel ein gutes Stück näher zu kommen.
Tripel-Kationen sind Goldstandard unter den Perowskiten
Im Fokus ihrer Forschung stehen Perowskite auf Basis so genannter Tripel-Kationen, eine Kombination aus Methylammonium, Formamidium und Cäsium. “Tripel-Kationen-Perowskite gelten bei vielen Expert*innen als Goldstandard, weil sie hohe Effizienz mit Langzeitstabilität verbinden und gleichzeitig reproduzierbar sind”, erklärt Saliba, der diese spezielle Materialgruppe 2016 als erster entdeckt und systematisch erforscht hat. Perowskite sind auch deswegen von besonderem Interesse, weil sie aufgrund ihrer besonderen Geometrie gut “durchstimmbar” sind, ihre Eigenschaften also durch gezielte Veränderungen präzise einstellbar sind.
Lichtschaltbare Moleküle zum Schutz der Korngrenze
“Für eine Kommerzialisierung dieser Perowskite und um sie zu einer zuverlässigen Alternative zu Silizium-Halbleitern zu machen, brauchen wir weitere Verbesserungen”, sagt Saliba. “Hierfür bewegen wir sehr kleine Stellschrauben, die eine große Wirkung haben”. Die Korngrenzen sind eine dieser Stellschrauben. Man kann sie sich wie die Fugen zwischen Pflastersteinen vorstellen: Sie halten das Gefüge zusammen, sind aber gleichzeitig am anfälligsten für Witterungsschäden.
Genau diese Instabilität gegenüber Hitze, Licht und Feuchtigkeit macht sie zur Achillesferse von Perowskit-Materialien. “Die Stabilisierung der Korngrenzen stabilisiert die gesamte Solarzelle”, erläutert Dr. Weiwei Zuo, einer der Koautoren vom ipv. Um diese Stabilisierung zu erreichen, haben die Forschenden spezielle, lichtschaltbare Moleküle in die Korngrenzen eingebaut, die unter Lichteinwirkung ihre Form verändern. Dadurch kann man sie dynamisch regulieren und wie einen Puffer einsetzen, der Spannungen im Material aufnimmt.
Hocheffizient und gleichzeitig stabil
Um das optimierte Material zu testen, hat das Forschungsteam reale Belastungsszenarien im Labor durchgespielt, die unter schwankenden Tageslichtbedingungen und Umwelteinflüssen typischerweise entstehen. Die Experimente zeigen: Die mittels lichtschaltbarer Moleküle stabilisierten Perowskit-Solarzellen erreichen auch nach zwei Stunden konstanter UV-Strahlung von 65 °C und nach 600 Zyklen, bei denen die Temperatur zwischen -40 und +85 °C schwankte, mehr als 95 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung und einen Wirkungsgrad von rund 27 Prozent. “Unser neues Materialdesign erhöht bei einer konkurrenzfähigen Leistungsfähigkeit die Betriebsstabibität Betriebsstabilität und Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen und macht sie weiter fit für den Praxiseinsatz”, erklären Saliba und Zuo.