Ein revolutionärer Fortschritt in der Solartechnologie könnte die Energieversorgung in extremsten Umgebungen grundlegend verändern. Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München haben eine ba...
Ein revolutionärer Fortschritt in der Solartechnologie könnte die Energieversorgung in extremsten Umgebungen grundlegend verändern. Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München haben eine Lösung entwickelt, um Perowskit-Solarzellen gegen extreme Temperaturschwankungen zu wappnen. Die in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse zeigen Tests mit Temperaturzyklen zwischen -80 und +80 Grad Celsius, bei denen die modifizierten Solarzellen nach 16 Zyklen 84 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz behielten.
Perowskit-Solarzellen gelten als eine der vielversprechenden Photovoltaik-Technologien der nächsten Generation. Sie lassen sich vergleichsweise kostengünstig herstellen und erreichen hohe Wirkungsgrade.
Die größte Herausforderung bei Perowskit-Solarzellen liegt in ihrer mechanischen Stabilität, insbesondere bei starken Temperaturschwankungen. Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Materialschichten können mechanische Spannungen verursachen, die zu Rissen, Ablösung oder Leistungsabfall führen. Solche Bedingungen treten beispielsweise in der erdnahen Umlaufbahn und bei beschleunigten Alterungstests auf; das Team wählte hierfür einen repräsentativen Temperaturbereich.
Das Team von Erkan Aydin an der Ludwig-Maximilians-Universität München kombinierte zwei molekulare Ansätze, um sowohl die Kornstruktur im Perowskit-Material als auch die Grenzflächen der Solarzelle zu stabilisieren. Zum einen integrierten die Forschenden Alpha-Liponsäure in die Perowskit-Schicht; diese Moleküle polymerisieren teilweise und bilden ein Netzwerk an den Korngrenzen, wodurch Defekte reduziert und die mechanische Stabilität erhöht werden. Zum anderen verstärkten sie die Grenzfläche zwischen Perowskit-Schicht und darunterliegendem Substrat mit einem Molekül mit Sulfonium-Gruppe (bezeichnet als DMSLA), das eine starke chemische Bindung an der Grenzfläche ausbildet.
Die optimierten Solarzellen erreichten Wirkungsgrade von 26 Prozent in den berichteten Experimenten, etwa 3 Prozentpunkte mehr als das verwendete Referenzmodell. In Temperatur-Zyklen zwischen -80 und +80 Grad Celsius behielten die modifizierten Zellen nach 16 Zyklen 84 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz, während Referenzzellen stärker an Leistung verloren. Die Experimente zeigten zudem, dass ein Großteil der Materialdegradation bereits während der ersten Zyklen auftritt.
Nach Ansicht der Forschenden liefern die Ergebnisse wichtige Hinweise für die Weiterentwicklung langlebiger Perowskit-Solarzellen. Die Arbeit zeigt, dass die mechanische Stabilität verbessert werden kann, wenn kritische Grenzflächen und Korngrenzen im Material adressiert werden. Die Forschenden betonen, dass weitere Arbeiten nötig sind, um ein tieferes Verständnis dafür zu gewinnen, wie sich die Zellen unter extremen Bedingungen verhalten.