Das Team von Erkan Aydin an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hat eine neue Strategie vorgestellt, um Perowskit-Solarzellen widerstandsfähiger gegen extreme Temperaturschwankungen zu machen. Die Forschenden kombinierten dafür zwei molekulare Ansätze, um sowohl die Kornstruktur im Perowskit-Material als auch die Grenzflächen der Solarzelle zu stabilisieren. Dabei ging es besonders um die Verbesserung der Wechselwirkung zwischen der Perowskit-Schicht und dem darunterliegenden Substrat. Ziel ist es, die Solarzellen auch unter extremen Temperaturschwankungen für Photovoltaik-Anwendungen in der Raumfahrt nutzen zu können.

Perowskit-Solarzellen gelten als eine der vielversprechendsten Photovoltaik-Technologien der nächsten Generation. Sie lassen sich vergleichsweise kostengünstig herstellen und erreichen hohe Wirkungsgrade. Problematisch ist jedoch ihre mechanische Stabilität. Gerade bei starken Temperaturschwankungen, etwa im Bereich zwischen minus 80 und plus 80 Grad Celsius, können sich Materialien im Inneren der Solarzelle unterschiedlich stark ausdehnen und zusammenziehen. Dadurch entstehen mechanische Spannungen, die zu Rissen, Ablösung oder Leistungsabfall führen. Solche Bedingungen treten im niedrigen Erdorbit auf, wo Solarzellen auf Satelliten innerhalb kurzer Zeiträume wiederholt direkter Sonneneinstrahlung oder Kälte ausgesetzt sind.

Molekulare “Stoßdämpfer” für Perowskit-Solarzellen

Aydins Team entwickelte eine zweistufige molekulare Verstärkungsstrategie, um besonders anfällige Bereiche der Solarzelle gezielt zu stabilisieren. Zum einen integrierten die Forschenden Alpha-Liponsäure in die Perowskit-Schicht. Beim Herstellungsprozess polymerisieren diese Moleküle teilweise und bilden eine Art Netzwerk an den Korngrenzen des Materials. Dadurch kann man Defekte reduzieren und die mechanische Stabilität erhöhen.

Zum anderen verstärkten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Grenzfläche zwischen Elektrodenmaterial und Perowskit-Schicht mit speziell entwickelten Molekülen. Besonders erfolgreich war ein Molekül mit Sulfonium-Gruppe, das eine besonders starke chemische Bindung an der Grenzfläche ausbildet. Es handelt sich um DMSLA. DMSLA steht für Dimethylsulfonium-Lipoic Acid. „Man kann sich diese Moleküle wie ein flexibles, verankertes Netz vorstellen”, sagt Aydin. „Sie sorgen dafür, dass die lichtabsorbierende Perowskit-Schicht fest mit dem Substrat verbunden bleibt, sodass sie sich an Temperaturänderungen anpassen kann, ohne dass es zu einer Ablösung kommt.” Sie wirken wie ein molekularer Stoßdämpfer.

Wirkungsgrade über 25 Prozent

Die optimierten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von 26 Prozent, etwa 3 Prozent mehr als bei dem in der Studie verwendeten Referenzmodell. In Experimenten blieb die Leistung auch nach wiederholten extremen Temperaturzyklen weitgehend erhalten. Nach 16 Zyklen zwischen minus 80 und plus 80 Grad Celsius behielten die modifizierten Solarzellen 84 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz, während Referenzzellen deutlich stärker an Leistung verloren. Die Experimente zeigen zudem, dass nicht nur die Anzahl der Temperaturwechsel entscheidend ist, sondern vor allem die gesamte Dauer der thermischen Belastung. Ein Großteil der Materialdegradation tritt schon während der ersten Zyklen auf.

Perspektiven für Raumfahrt und flexible Photovoltaik

Nach Ansicht der Forschenden liefern die Ergebnisse wichtige Hinweise für die Weiterentwicklung langlebiger Perowskit-Solarzellen. „Unsere Arbeit zeigt, dass man die mechanische Stabilität von Perowskit-Solarzellen gezielt verbessern kann, wenn man die kritischen Grenzflächen und Korngrenzen im Material adressiert. Damit kommen wir der praktischen Nutzung dieser Technologie einen Schritt näher”, sagt Aydin. Besonders interessant sei die Technologie für Anwendungen mit extremen Temperaturbedingungen, etwa in der Raumfahrt, bei flugfähigen Plattformen in der Stratosphäre oder in zukünftigen leichten und flexiblen Solarmodulen.

Die wissenschaftliche Publikation über die Verbesserung der Stabilität von Perowskit-Solarzellen gegenüber Temperaturschwankungen ist in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen und unter dem nebenstehenden Link zu finden.

Mehr zur Forschung an Perowskit-Solarzellen

• Mechanismus für einzigartige photovoltaische Eigenschaften von Perowskit-Solarzellen aufgeklärt
• Neu: Perowskit-Kompetenzcluster Baden-Württemberg gegründet
• LMU: Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle mit 31,4 Prozent Wirkungsgrad
• Organische Oberflächenpassivierung verbessert Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen

Quelle: LMU | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH