Verbesserte Stabilität Nächster Meilenstein bei Perowskit-Solarzellen

Die Materialklasse der Halogenid-Perowskite könnte Solarstrom noch effizienter und zu noch geringeren Kosten ermöglichen. Die Materialien sind sehr günstig, lassen sich mit minimalem Energieaufwand zu dünnen Schichten verarbeiten und erreichen bereits Wirkungsgrade, die deutlich über denen herkömmlicher Silizium-Solarzellen liegen.

Kampf gegen Leistungsverlust

Von Solarmodulen wird jedoch erwartet, dass sie unter Freilandbedingungen mindestens 20 Jahre lang eine stabile Leistung erbringen. Dabei müssen sie große Temperaturschwankungen aushalten. Silizium-Module schaffen das problemlos, während die halborganischen Perowskite recht schnell an Leistung verlieren.

„Sonnenlicht kann das Innere einer PV-Zelle rasch auf 80 °C aufheizen; im Dunkeln kühlt die Zelle dann sofort wieder auf Außentemperatur ab. Das löst große mechanische Spannungen in der Dünnschicht aus Perowskit-Mikrokristallen aus, die zu Defekten und sogar zu lokalen Phasenübergängen führen, so dass die Solarzelle an Qualität verliert", erklärt Prof. Antonio Abate, der am HZB eine große Gruppe leitet.

Gemeinsam mit seinem Team und internationalen Partnern hat er eine chemische Variante untersucht, die die Stabilität der Perowskit-Dünnschicht in verschiedenen Solarzellenarchitekturen deutlich verbessert. Besonders ausgeprägt war die Verbesserung in der so genannten p-i-n-Architektur, die normalerweise etwas weniger effizient ist als die häufiger verwendete n-i-p-Architektur.

„Wir haben die Bauelementstruktur und die Prozessparameter optimiert, wobei wir auf frühere Ergebnisse aufbauen konnten. So gelang uns schließlich eine entscheidende Verbesserung mit b-Poly(1,1-difluorethylen) oder kurz b-pV2F“, sagt Guixiang Li, der unter der Leitung von Prof. Abate promoviert. b-pV2F-Moleküle ähneln einer Zickzackkette, die mit alternierenden Dipolen besetzt ist. „Dieses Polymer scheint sich wie eine weiche Schale um die einzelnen Perowskit-Mikrokristalle in der dünnen Schicht zu legen und bildet eine Art Polster gegen thermomechanische Belastungen“, erklärt Abate.

Tatsächlich zeigen Aufnahmen unter dem Rasterelektronenmikroskop, dass sich die winzigen Körnchen in den Zellen mit b-pV2F enger aneinander schmiegen. „Außerdem verbessert die Dipolkette von b-pV2F den Transport von Ladungsträgern und erhöht damit die Effizienz der Zelle“, sagt Abate. Tatsächlich konnte die Gruppe im Labormaßstab Zellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 24,6 Prozent herstellen, ein Rekord für die p-i-n-Architektur.

Intensive Tests

Die so hergestellten Solarzellen mussten einen harten Test durchlaufen: mehr als hundert Zyklen zwischen +80 °C und -60 °C und 1.000 Stunden kontinuierlicher 1-Sonnen-Äquivalent-Beleuchtung mussten sie aushalten. Das entspricht etwa einem Jahr Außeneinsatz. „Selbst unter diesen extremen Belastungen erreichten sie am Ende noch einen Wirkungsgrad von 96 Prozent", betont Abate. Das liegt schon in der richtigen Größenordnung.

Wenn es nun gelingt, die Verluste noch ein wenig zu reduzieren, könnten Perowskit-Solarmodule auch nach 20 Jahren noch einen Großteil ihrer ursprünglichen Leistung erbringen – dieses Ziel rückt nun in greifbare Nähe.