Zusätzliches Polymer: Deutsche Forscher machen Perowskit-Solarzellen fit für die freie Natur

Mit sogenannten Perowskit-Solarzellen werden große Hoffnungen verbunden. Denn die benötigten Materialien sind sehr günstig und lassen sich mit geringem Energieaufwand verarbeiten. Gleichzeitig besteht die Chance auf enorme Effizienzsteigerungen, weil auch das blaue Spektrum des Sonnenlichts verarbeitet werden kann. Tatsächlich konnten mit Tandem-Solarzellen, die klassische Siliziumzellen mit den neuen Perowskit-Zellen kombinieren, bereits neue Rekorde in Sachen Wirkungsgrad erzielt werden. Das Problem allerdings: Die halborganischen Perowskite sind nicht besonders robust. Gleichzeitig müssen Solarmodule in der freien Natur aber durchaus beachtliche Belastungen aushalten. So werden die Zellen durch die direkte Sonneneinstrahlung teilweise auf bis zu achtzig Grad Celsius erhitzt. Nachts wiederum kühlen sie dann schnell wieder auf die Umgebungstemperatur ab. Diese massiven Schwankungen haben bisher bei Perowskit-Solarzellen zu Beschädigungen geführt. Was wiederum zur Folge hatte, dass sich die so gefeierte Effizienz im Laufe der Lebensdauer immer weiter verringerte.

Links eine Solarzelle nach längerer Nutzung mit sichtbaren Beschädigungen. Rechts konnten diese durch den Einsatz des Polymers verhindert werden. Bild: G. Li/HZB

Die Polymer-Moleküle bilden eine Art interne Schutzschicht

Die Installation von Solarmodulen lohnt sich allerdings nur, wenn diese dann auch für rund zwanzig Jahre zumindest einen Großteil der ursprünglich vorhandenen Leistung erbringen. In diesem Punkt ist Forschern des Helmholtz Zentrum in Berlin nun aber ein wichtiger Durchbruch gelungen. Sie untersuchten zahlreiche Parameter und Prozessschritte im Detail und stießen letztlich auf ein Polymer namens b-pV2F. Dieses wurde in eine Vorläuferlösung des Perowskits integriert. Später zeigte sich dann, dass die Polymer-Moleküle wie eine Art Schutzschicht um die Perowskit-Mikrokristalle legten. Die enormen thermomechanischen Belastungen konnten so abgefedert werden. Getestet wurde dies unter durchaus anspruchsvollen Bedingungen: So mussten die neuartigen Zellen nicht nur 1.000 Stunden 1-Sonnen-Äquivalent-Beleuchtung aushalten, sondern auch mehr als einhundert Zyklen zwischen plus achtzig Grad Celsius und minus sechzig Grad Celsius absolvieren. Dies entspricht in etwa der Belastung von einem Jahr Dauereinsatz. Das Ergebnis: Die Leistungsfähigkeit lag am Ende immerhin noch bei 96 Prozent des Ausgangswertes.

Das Ende der Entwicklung scheint noch lange nicht erreicht

Rechnet man diese Verluste weiter hoch, liegen sie natürlich noch immer deutlich zu hoch für einen zwanzigjährigen Einsatz. Die Verbesserungen gegenüber den bisherigen Ansätzen sind aber so enorm, dass die Forscher optimistisch sind, die Lücke perspektivisch noch weiter schließen zu können. Zumal der Einsatz des Polymers noch einen zweiten Vorteil mit sich bringt: Die darin enthaltenen Dipolketten verbessern den Transport von Ladungsträgern. Oder anders ausgedrückt: Die Effizienz der Solarzelle erhöht sich. Tatsächlich konnte im Labor eine entsprechende Zelle mit einem Wirkungsgrad von 24,6 Prozent hergestellt werden. Dies stellt für die sogenannte p-i-n-Architektur einen neuen Rekordwert dar. Auch hier scheint das Ende der Fahnenstange aber noch lange nicht erreicht zu sein. Zumal der Wirkungsgrad im Rahmen einer Tandem-Solarzelle vermutlich sogar noch einmal deutlich höher ausgefallen wäre. Die Forscher haben ihre Ergebnisse im Fachjournal Science veröffentlicht. Darauf können nun Wissenschaftler in aller Welt weiter aufbauen.

Via: Helmholtz