10 März Perowskit-Solarzellen widerstandfähiger machen
Perowskit-Solarzellen sind eine vielsprechende Technologie für die Fotovoltaik, da sie hocheffizient und gleichzeitig einfacher und günstiger herzustellen sind als herkömmliche Siliziumzellen. Ein Team der Universität Stuttgart und internationaler Forschenden berichten davon, dass sie Perowskit-Solarzellen widerstandsfähiger gegenüber Umwelteinflüssen machen. “Wir haben in letzter Zeit viel erreicht, um Perowskit-Solarzellen besser gegen Licht, Hitze, Feuchtigkeit und Spannung zu schützen. Aber sie unter wechselnden Umwelteinflüssen zuverlässig zu betreiben, ist immer noch eine Herausforderung”, sagt Prof. Michael Saliba, Leiter des Instituts für Photovoltaik (ipv) der Universität Stuttgart. Mit einer optimierten Materialmischung soll es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus China, Deutschland, Großbritannien, Spanien, Italien und der Schweiz nun gelungen sein, diesem Ziel näher zu kommen.
Der Goldstandard unter den Perowskiten
Im Fokus ihrer Forschung stehen Perowskite auf Basis von Tripel-Kationen – eine Kombination aus Methylammonium, Formamidium und Cäsium. “Tripel-Kationen-Perowskite gelten bei vielen Expertinnen und Experten als Goldstandard, weil sie hohe Effizienz mit Langzeitstabilität verbinden und gleichzeitig reproduzierbar sind”, erklärt Saliba, der diese spezielle Materialgruppe nach eigenen Angaben 2016 als erster entdeckt und systematisch erforscht hat. Perowskite sind auch deswegen von besonderem Interesse, weil ihre Eigenschaften aufgrund ihrer besonderen Geometrie durch gezielte Veränderungen präzise einstellbar sind.
Lichtschaltbare Moleküle zum Schutz der Korngrenze
Für eine Kommerzialisierung dieser Perowskite und um sie zu einer zuverlässigen Alternative zu Silizium-Halbleitern zu machen sollen sie weiter verbessert werden. “Hierfür bewegen wir sehr kleine Stellschrauben, die eine große Wirkung haben“, erklärt Saliba. Die Korngrenzen sind eine dieser Stellschrauben. Instabilität gegenüber Hitze, Licht und Feuchtigkeit macht sie zur Achillesferse von Perowskit-Materialien. “Die Stabilisierung der Korngrenzen stabilisiert die gesamte Solarzelle”, erläutert Dr. Weiwei Zuo aus der Arbeitsgruppe von Saliba. Um diese Stabilisierung zu erreichen, haben die Forschenden spezielle, lichtschaltbare Moleküle in die Korngrenzen eingebaut, die unter Beleuchtung ihre Form verändern. Dadurch kann man sie dynamisch regulieren und wie einen Puffer einsetzen, der Spannungen im Material aufnimmt.
Hocheffizient und gleichzeitig stabil
Um das optimierte Material zu testen, hat das Forschungsteam nach eigenen Angaben reale Belastungsszenarien im Labor getestet, die unter schwankenden Tageslichtbedingungen und Umwelteinflüssen typischerweise entstehen. Die Experimente zeigen laut den Forschenden, dass die stabilisierten Perowskit-Solarzellen auch nach zwei Stunden konstanter UV-Strahlung von 65 °C und nach 600 Zyklen, bei denen die Temperatur zwischen -40 und +85 °C schwankte, mehr als 95 % ihrer ursprünglichen Leistung und einen Wirkungsgrad von rund 27 % erreichen. “Unser neues Materialdesign erhöht bei einer konkurrenzfähigen Leistungsfähigkeit die Betriebsstabilität und Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen und macht sie weiter fit für den Praxiseinsatz”, fassen Saliba und Zuo zusammen.
Originalveröffentlichung:
[Zhang, Z., Zhu, R., Li, G. et al.: Photoswitchable isomers to improve grain boundary resilience and perovskite solar cells stability under light cycling. Nat Energy 2026, DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-026-01993-z]
Quelle: www.uni-stuttgart.de
Bild: Weiwei Zuo