Diese Solarzellen könnten die Spielregeln der erneuerbaren Energien verändern.
Perowskit Solarzellen werden den Wirkungsgrad von Solarmodulen in Zukunft weiter steigern.
Perowskit, das von Wissenschaftlern vor fast 200 Jahren entdeckt wurde, gilt erst seit kurzem als vielversprechendes Element für die Herstellung kostengünstiger und effizienter Solarzellen. Obwohl dieses Mineral auf der Erde recht selten ist, gelang es Wissenschaftlern Anfang der 2010er Jahre, sein synthetisches Analogon - Kalziumtitanat - herzustellen. Die Substanz hat unter Wissenschaftlern an Popularität gewonnen, da sie der Meinung sind, dass synthetisches Perowskit die Spielregeln im Bereich der erneuerbaren Energien völlig verändern könnte. Die renommierte Zeitschrift Science nahm Perowskit sogar in die Top 10 der bahnbrechenden Erfindungen des Jahres 2013 auf. Und mehrere Unternehmen haben bereits festgestellt, dass sie kurz vor der industriellen Produktion stehen.
Perowskite sind die große Hoffnung, den Wirkungsgrad von Solarmodulen in Zukunft weiter zu steigern. Bislang galt ihre kurze Lebensdauer als größte Hürde für den praktischen Einsatz, doch das könnte sich bald ändern. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Energy stellen Forscher des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg des Forschungszentrums Jülich eine Variante vor, die sich durch besondere Stabilität auszeichnet. In Tests bei erhöhter Temperatur und Beleuchtung über 1450 Betriebsstunden behielt die Perowskit-basierte Zelle 99 Prozent ihres ursprünglichen Wirkungsgrades.
Charakteristisch für Perowskite ist eine spezifische Kristallstruktur. Es sind zahlreiche Materialkombinationen aus verschiedenen Atomen und Molekülen möglich, von denen einige ferroelektrische, supraleitende oder photovoltaische Eigenschaften aufweisen. Obwohl die Materialklasse bereits seit dem frühen 19. Jahrhundert bekannt ist, wurde sie erst kürzlich für die Photovoltaik entdeckt. Es bedurfte nur 10 Jahre Forschung, um den Wirkungsgrad auf das Niveau herkömmlicher Silizium-Solarzellen zu heben, und zwar in einem noch nie dagewesenen Tempo. Im Vergleich zu Siliziumkristallen haben Perowskite mehrere entscheidende Vorteile: Sie lassen sich einfach, kostengünstig und energiesparend herstellen. Die nur wenige hundert Nanometer dicken Schichten von Perowskit-Zellen lassen sich auch gut auf herkömmliche Siliziumzellen aufbringen. Während die siliziumbasierte Technologie bereits als ausgereift gilt, bieten solche "Tandemsolarzellen" neue Möglichkeiten, den Wirkungsgrad von Solarzellen weiter zu verbessern.
Eine Frage der Stabilität
"Die Achillesferse von Perowskit-Solarzellen ist ihre geringe Haltbarkeit", erklärt Prof. Christoph Brabec vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg (HI ERN) am Forschungszentrum Jülich. "Klassische Silizium-Module sind recht langlebig. Selbst nach mehr als 20 Jahren im praktischen Einsatz verlieren sie kaum an Leistung." Solarzellen aus Perowskit hingegen verlieren meist schon nach wenigen Tagen oder Wochen an Effizienz. Frühen Zellen konnte man buchstäblich beim Altern zusehen, wobei die Effizienz innerhalb von Sekunden oder Minuten nach dem Einschalten des Lichts im Labor abnahm.
"Die Solarzelle, die wir jetzt in Nature Energy vorgestellt haben, besticht dagegen durch ihre außergewöhnliche Stabilität. Die Werte gehören sicherlich zu den besten, die jemals für eine planare Perowskit-Solarzelle in einem Langzeittest gemessen wurden", so Brabec. Die beleuchtete Zelle musste 1450 Stunden bei erhöhten Temperaturen um 65 Grad Celsius im Labor überstehen und blieb während des gesamten Testzeitraums weitgehend stabil. Am Ende hatte sie noch 99 Prozent ihres ursprünglichen Wirkungsgrades. "Langfristige Vorhersagen sind immer schwierig. Aber die Perowskit-Solarzelle, die wir jetzt entwickelt haben, könnte unter normalen Umständen sicher mehr als 20.000 Stunden betrieben werden", schätzt Prof. Brabec.
Erfolg durch hohen Durchsatz
Das Ergebnis ist kein Zufall. Auf der Suche nach dem richtigen Material testeten die Forscher systematisch Hunderte von verschiedenen Perowskit-Mischungen im Hochdurchsatzverfahren auf ihre Eignung. Die besten haben die Forscher dann für den Bau ihrer Zelle verwendet. "Selbst wenn man nur auf bewährte Komponenten zurückgreift, ergeben sich unendlich viele mögliche Zusammensetzungen, die wir mit unseren Methoden automatisch herstellen und testen können. Bei anderen Studien sind es manchmal sogar deutlich mehr", erklärt Dr. Yicheng Zhao, der maßgeblich an den wissenschaftlichen Untersuchungen beteiligt war. "Deshalb müssen wir systematisch vorgehen, um die besten Materialkombinationen zu identifizieren."
Ein weiterer wichtiger Optimierungsschritt betrifft die stabilen Kontakte des Perowskits innerhalb der Zelle, die in mehreren dünnen Schichten aufgebaut ist. Die ionischen Dotierstoffe oder Metalloxid-Nanopartikel, die üblicherweise zur Kontaktierung der Zelle verwendet werden, neigen bei höheren Temperaturen zu Sekundärreaktionen. Diese Reaktionen können sogar zur Korrosion der Metallelektroden führen, wie die Forscher von HI ERN durch Messungen und Rasterelektronenmikroskopie nachweisen konnten. Der Kontakt und die elektrische Leitfähigkeit verschlechtern sich dadurch bereits in einem frühen Stadium.
"Um die Stabilität an der Kontaktstelle zu verbessern, haben wir die gesamte Elektrode in eine Art Schutzhülle gepackt", sagt Zhao. Eine neue zweischichtige Polymerstruktur, bei der die Unterseite undotiert und die Oberseite mit einem nichtionischen Dotierstoff dotiert ist, schützt vor Degradation und sorgt dafür, dass der Kontakt erhalten bleibt. Diese Architektur schützt zum einen die sehr empfindliche Grenzfläche zum Perowskit und zeigt zum anderen eine außergewöhnlich stabile Leitfähigkeit, auch bei erhöhten Temperaturen.
Für die Zukunft streben die HI ERN-Forscher nun eine weitere Effizienzsteigerung an. "Mit einem Wirkungsgrad von 20,9 Prozent schöpft die getestete Zelle das Potenzial noch nicht voll aus. In naher Zukunft sollten 24 bis 25 Prozent möglich sein", erklärt Yicheng Zhao.
Forschungszentrum Jülich
Quelle 02/2022