Bisherige Perowskit-Solarzellen reagieren sensibel auf Temperaturschwankungen, was ihren Weg auf die Dächer bisher ausbremst. Forschende der Technischen Universität München (TUM) und des Exzellenzclusters E-Conversion haben nun mikroskopischen Mechanismen aufgedeckt, durch die schwankende Temperaturen das Material der Perowskit-Solarzellen altern lassen. Zudem haben sie eine Strategie entwickelt, um dies zu verhindern. Ihr Ansatz: Die fragile Kristallstruktur mithilfe speziell entwickelter „molekularer Anker“ stabilisieren.

Innerhalb eines einzigen Tages muss ein Solarmodul sowohl frostigen Nächten als auch großer Hitze standhalten. Diese realen Bedingungen – wiederholtes Erwärmen und Abkühlen – können eine frühzeitige Materialdegradation. Durch diese Alterung verlieren Perowskit-Solarzellen einen Teil ihrer Leistungsfähigkeit. „Wenn wir diese Zellen auf unseren Dächern sehen wollen, müssen wir sicherstellen, dass sie nicht nur im Labor funktionieren, sondern auch den jahreszeitlichen Belastungen trotzen“, sagt Peter Müller-Buschbaum, der den Lehrstuhl für Funktionelle Materialien an der TUM School of Natural Sciences leitet und Mitglied des Exzellenzclusters E-Conversion ist. Sein Team erforscht die mikroskopischen Ursachen und hat nun entschlüsselt, wie sie das Material instabil machen.

TUM-Forscher:innen entschlüsseln Einbrenn-Phase bei Perowskit-Solarzellen

Auf Basis dieser Erkenntnisse entstanden neue Designstrategien, um die obere Schicht von Tandem-Solarzellen robuster zu gestalten, sodass sie realen Bedingungen standhalten können. Tandem-Solarzellen bestehen aus übereinandergestapelten Solarzellen und nutzen dadurch das Sonnenlicht besser aus. In einer Studie untersuchte Erstautor Kun Sun vom TUM-Lehrstuhl für Funktionelle Materialien gemeinsam mit dem Forschungsteam sogenannte hocheffiziente Wide-Bandgap-Zellen – die oberen Zellen in einer Tandem-Solarzelle. Mithilfe hochauflösender Röntgenmessungen am DESY beobachteten sie in Echtzeit, wie das Material während schneller Temperaturänderungen „atmet“, indem sich das Kristallgitter je nach Temperaturprofil periodisch ausdehnt und zusammenzieht.

Was an der Entdeckung bemerkenswert war: Die Degradation tritt in einer ausgeprägten anfänglichen Einbrenn-Phase auf, von Expert:innen als “Burn-in“ bezeichnet, in der die Zellen bis zu 60 % ihrer relativen Leistungsfähigkeit verlieren. „Wir konnten zeigen, dass eine Art mikroskopisches Tauziehen diesen Verlust auslöst“, sagt Sun. „Im Inneren des Materials entstehen Spannungen und seine Struktur verändert sich. Das kostet Leistung.“ Mit diesem Wissen haben Ingenieurinnen und Ingenieure ein Entwicklungsziel: Die “Burn-in”-Phase unterbinden, um langfristige Stabilität zu erreichen.

Den „perfekten Anker“ entwickeln

Doch wie lässt sich verhindern, dass das Material buchstäblich auseinanderfällt? In einer zweiten Studie, veröffentlicht in ACS Energy Letters, berichten die Forschenden, wie sich das empfindliche Kristallmaterial stabilisieren lässt. Sie verwenden dafür spezielle organische Moleküle, die als Abstandshalter wirken und dabei die Struktur wie ein Anker zusammenhalten – vergleichbar mit einem molekularen Gerüst.

Durch den Vergleich verschiedener solcher Abstandshalter fanden die Forschenden einen Gewinner: Während gängige Kandidaten zum strukturellen Zerfall führten, erwies sich das voluminösere organische Molekül PDMA als beste Option. Es entstand eine deutlich robustere Solarzelle, die selbst unter dem mechanischen Stress schneller Erwärmung und Abkühlung stabil bleibt.

„Die Zukunft der Photovoltaik trägt die Vorsilbe Tandem“, sagt Müller-Buschbaum überzeugt. „Indem wir die mikroskopischen Mechanismen verstehen, ebnen wir den Weg für eine neue Generation von Solarmodulen, die sowohl hocheffizient als auch robust genug für Jahrzehnte im Außeneinsatz sind.“

An den Forschungsarbeiten waren auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) sowie das KTH Royal Institute of Technology in Stockholm beteiligt. Die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zur Einbrenn-Phase von Perowskit-Solarzellen und zur Stabilisierung der Tandemsolarzellen mit PDMA sind unter den nebenstehenden Links zu finden.

Forscher:innen der Ludwig-Maximilians-Universität München haben das Molekül DMSLA eingesetzt, um die Stabilität von Perowskit-Solarzellen gegenüber Temperaturschwankungen zu verbessern.

Quelle: TUM | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH