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Perowskit-Solarzelle wird haltbarer

Material behält auch nach 1.450 Sonnenstunden 99 Prozent seines Wirkungsgrads

Perowskit-Test
Perowskit-Solarzellen- und Dünnschicht-Proben vor ihrem Alterungstest. Durch solche Tests suchen Forscher nach einem Perowskit-Material, das bei Sonnenlicht und Hitze nicht so schnell degradiert. © HI ERN / Kurt Fuchs

Vielversprechende Entwicklung: Forschern haben ein Perowskit-Material identifiziert, das auch intensiver Beleuchtung und Hitze standhält. In einer Solarzelle verbaut, behielt es im Test auch nach 1.450 Betriebsstunden rund 99 seines Wirkungsgrads. In der Praxis könnten Solarzellen aus diesem Perowskit sogar 20.000 Stunden halten, wie die Wissenschaftler berichten. Das könnte dünnere und leistungsfähigere Photovoltaik-Anlagen ermöglichen.

Als Perowskite werden Materialien bezeichnet, die unabhängig von ihren einzelnen Komponenten eine bestimmte Kristallstruktur besitzen. In der Photovoltaik gelten sie als das Material der Zukunft, weil Perowskit-Halbleiter Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln können, aber günstiger und energiesparender herzustellen sind als Silizium-Zellen. Die kristallinen Dünnfilme dieser Minerale können durch Aufdampfen oder Abscheiden aus Lösung produziert werden.

Perowskit-Struktur
Klassische Perowskit-Kristallstruktur. © Solid State/ CC-by-sa 3.0

Automatisierte Fahndung unter Perowskiten

Das Problem jedoch: Sobald Perowskit-Solarzellen UV-Strahlung und Hitze ausgesetzt sind, verlieren sie bisher rasant an Leistung – das Material zersetzt sich. „Die Achillesferse der Perowskit-Solarzellen ist ihre geringe Haltbarkeit“, erklärt Seniorautor Christoph Brabec vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien. Während diese Solarzellen schon nach Tagen bis Wochen ihre Leistungsfähigkeit verlieren, halten die klassischen Silizium-Solarzellen mehr als 20 Jahre.

Brabec und sein Team haben sich daher gezielt auf die Suche nach einem haltbareren Perowskit-Material begeben. Dafür testeten mithilfe eines automatisierten Verfahrens hunderte verschiedene Perowskit-Mischungen auf ihre Lichtbeständigkeit. „Selbst wenn man nur auf bewährte Komponenten setzt, kommt man auf eine ungeheure Anzahl an möglichen Zusammensetzungen, die wir mit unseren Verfahren automatisiert herstellen und prüfen können“, erklärt Erstautor Yicheng Zhao vom Helmholtz-Institut.

Neues Material und angepasster Zellaufbau

Tatsächlich wurden die Wissenschaftler fündig: Sie identifizierten ein Perowskit, das in den Vortests kaum lichtinduzierte Degradation zeigte, und nahmen dies als Basis für die Konstruktion einer Solarzelle. Dabei veränderten sie den Aufbau der Zelle so, dass eine weitere Quelle der Degradation vermieden wurde: Die sonst als Kontakte genutzten dotierten Polymere oder metalloxidischen Nanopartikel fördern bei höheren Tempersture die Korrosion der Perowskite. Kontakt und elektrische Leitfähigkeit verschlechtern sich so schon frühzeitig.

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„Um die Stabilität an der Kontaktstelle zu verbessern, haben wir die gesamte Elektrode in eine Art Schutzhülle gepackt“, erklärt Zhao. Eine neue Doppelschicht-Polymer-Struktur, deren Unterseite undotiert und deren Oberseite mit einem nicht-ionischen Element dotiert ist, schützt vor Zersetzung und sorgt dafür, dass die Kontaktierung erhalten bleibt. Wie gut die so konstruierte Perowskit- Solarzelle in normalen Betrieb hielt, testete das Team anschließend in einem Dauerbelichtungstest bei 65 Grad.

Haltbarkeit in ersten Tests bestätigt

Das Ergebnis: Die Perowskit-Solarzelle blieb stabil und behielt auch nach 1.450 Betriebsstunden rund 99 Prozent ihres anfänglichen Wirkungsgrads von 20,5 Prozent bei. „Die Werte gehören sicher zu den besten, die jemals für eine planare Perowskit-Solarzelle in einem Langzeittest gemessen wurden“, sagt Brabec. Auch in einem ersten einwöchigen Freilandtests unter normalem Tagesicht und Sonneneinstrahlung bewährte sich das Perowskit-Material.

Nach Ansicht des Forschungsteams könnte dieses Perowskit, kombiniert mit der angepassten Solarzell-Struktur neue Chance eröffnen, Perowskit-Solarzellen und Tandemsolarzellen mit guter Haltbarkeit zu produzieren. „Eine Langzeitprognose ist immer schwierig. Aber die Perowskit-Solarzelle, die wir jetzt entwickelt haben, könnte unter normalen Umständen sicherlich schon über 20.000 Betriebsstunden betrieben werden“, schätzt Brabec.

Für die Zukunft streben die Forschenden weitere Effizienzverbesserungen an. „Mit einem Wirkungsgrad von 20,9 Prozent reizt die getestet Zelle das Potenzial noch nicht voll aus. 24 bis 25 Prozent sollten in der nahen Zukunft möglich sein“, erklärt Zhao. (Nature Energy, 2021; doi: 10.1038/s41560-021-00953-z)

Quelle: Forschungszentrum Jülich

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