Haltbarer gemacht: Neuartige Perowskit-Solarzellen halten in der Praxis bis zu 20.000 Sonnenstunden

Photovoltaik-Zellen aus Perowskit gelten als Zukunft der Solartechnik. Allerdings sind Solarzellen aus Perowskiten bisher noch mit einer recht kurzen Lebensdauer versehen: Unter Einfluss der UV-Strahlung und der mit der Sonneneinstrahlung verbundenen Hitze zersetzt sich das Material und die Zellen verlieren schnell an Leistung. Forscher haben nun ein Perowskit-Material entdeckt, das die Lebensdauer der daraus hergestellten Solarzellen maximiert.

Haltbarkeit ist die Achillesferse von Perowskit-Solarzellen

Unter Perowskiten versteht man Materialien, die eine bestimmte, von ihren einzelnen Komponenten unabhängige Kristallstruktur besitzen. Sie gelten als Zukunftsmaterial, wenn es um die Produktion von photovoltaischen Zellen geht. Der Grund: Perowskit-Halbleiter sind in der Herstellung deutlich günstiger und energiesparender als Solarzellen aus Silizium. Dünnfilme der Perwoskit-Minerale können durch Aufdampfen oder Abscheiden aus einer Lösung produziert werden.

Allerdings: „Die Achillesferse der Perowskit-Solarzellen ist ihre geringe Haltbarkeit„, erklärt Christoph Brabec vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien. Klassische Solarzellen aus Silizium halten bis zu 20 Jahre, bei Perowskit-Zellen beginnt der Leistungsabbau bereits nach Tagen bis Wochen. Der Forscher hat sich mit seinem Team daher auf die Suche nach einem Perowskit-Material mit einer besseren Haltbarkeit begeben. Dabei kam ein automatisiertes Verfahren zum Einsatz, mit dem die Forscher verschiedene Perowskit-Mischungen auf ihre Lichtbeständigkeit hin untersuchen konnten. Insgesamt testete das Team so hunderte Materialmischungen. „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„, so Brabecs Kollege Yicheng Zhao.

Forscher finden haltbares Material

Die Suche der Forscher verlief erfolgreich. Sie konnten ein Perowskit identifzieren, das in ersten Vortests kaum Leistungsabbau unter Lichteinfluss zeigte. Dieses Perowskit nahm das Team dann als Basis für die Konstruktion einer Solarzelle. Dabei konnten sie eine weitere Quelle für Leistungsabbau vermeiden: Bei vielen Perowskit-Zellen werden dotierte Polymere oder metalloxidische Nanopartikel als Kontakte verwendet. Diese fördern bei höheren Temperaturen die Korrosion der Perowskite.

„Um die Stabilität an der Kontaktstelle zu verbessern, haben wir die gesamte Elektrode in eine Art Schutzhülle gepackt„, so Zhao. Dabei kommt eine neue Doppelschicht-Polymer-Struktur zum Einsatz, deren Oberseite mit einem nicht-ionischen Element dotiert wird, während die Unterseite undotiert bleibt. So bleibt die Kontaktierung erhalten, während eine frühzeitige Korrosion vermieden wird.

Neuartige Zellen können bis zu 20.000 Stunden halten

In einem Dauerbelichtungstest bei 65 Grad blieben die neuartigen Perowskit-Zellen stabil. Auch nach 1 450 Betriebsstunden blieben rund 99 Prozent des anfänglichen Wirkungsgrads von 20,5 Prozent erhalten. „Die Werte gehören sicher zu den besten, die jemals für eine planare Perowskit-Solarzelle in einem Langzeittest gemessen wurden„, so Brabec. Auch während eines Freilandtests unter normaler Sonneneinstrahlung bewährte sich das Material.

Die Kombination aus dem neuen Material sowie der angepassten Struktur der Solarzelle bietet aus Sicht der Forscher die Gelegenheit, Perowskit-Solarzellen mit deutlich verbesserter Haltbarkeit herzustellen. „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„, so Brabec weiter.

In Zukunft wollen die Forscher die Effizienz ihrer Zellen verbessern. Dabei halten sie einen Wert von 24-25 Prozent für möglich.

via Forschungszentrum Jülich