Perowskit-Solarzellen kosten wenig in der Herstellung und arbeiten effizient. Wie lange sie stabil bleiben, ist aber fraglich. Eine neue Forschung zeigt Strategien auf.
Im Experiment wurden Perowskit-Solarzellen immer wieder von Raumtemperatur (Room T) auf -150 °C und dann auf +150 °C gebracht.
Li Guixiang
Thermische Spannungen sind der entscheidende Faktor für die Degradation von Metall-Halogenid-Perowskiten. Das hat eine internationale Forschungskooperation unter Leitung von Prof. Antonio Abate vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) herausgefunden. Die Studienergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Reviews Materials veröffentlicht.
"Durch eine Verkapselung können die Zellen zwar effektiv vor Feuchtigkeit und Luftsauerstoff geschützt werden, dennoch sind sie im Außeneinsatz dann Tag und Nacht sowie über die Jahreszeiten großen Temperaturschwankungen ausgesetzt", sagt Abate. Je nach geografischen Bedingungen liegen die Temperaturen im Inneren der Solarzellen zwischen -40 und +100 °C, etwa in der Wüste.
Noch extremere Temperaturunterschiede
In der Studie wurden die Perowskit-Solarzellen Temperaturunterschieden von -150 bis +150 °C ausgesetzt. Dabei wurde untersucht, wie sich die Mikrostruktur innerhalb der Perowskit-Schicht während der Zyklen veränderte und inwieweit sich auch Wechselwirkungen mit den benachbarten Schichten im Lauf der Temperaturzyklen veränderten. Ergebnis: Die großen Temperaturschwankungen verursachten thermische Spannungen, die Leistung der Zelle sank.
"In einer Perowskit-Solarzelle müssen Schichten aus sehr unterschiedlichen Materialien in perfektem Kontakt stehen; leider haben diese Materialien oft ein recht unterschiedliches thermisches Verhalten", so Abate. Dadurch werde der Kontakt zwischen den Schichten mit jedem Zyklus schlechter.
Also empfiehlt Abate, die Perowskit-Strukturen und die angrenzenden Schichten stabiler gegen thermische Belastungen zu machen, etwa durch die Erhöhung der kristallinen Qualität, aber auch durch geeignete Pufferschichten. Um die Stabilität bei Temperaturwechseln einheitlich und korrekt zu ermitteln, seien zudem standardisierte Testprotokolle nötig.
Wirkungsgrade von bis zu 27 %
Perowskite sind eine Materialklasse mit halbleitenden Eigenschaften, die sich für die Energieumwandlung in einer Solarzelle eignen. Das gilt insbesondere für Metall-Halogenid-Perowskite, die laut HZB Wirkungsgrade von bis zu 27 % liefern: "Die Herstellung solcher Dünnschicht-Solarzellen erfordert extrem wenig Material und Energie, sodass Solarenergie erheblich günstiger werden könnte."
