Perowskit-Solarzellen gelten als ein bedeutender Fortschritt in der Photovoltaik. Diese speziellen kristallinen Materialien wandeln Sonnenlicht effizient in Strom um und bieten hohe Wirkungsgrade bei kostengünstiger Herstellung. Allerdings sind sie auch empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, was ihre Nutzung auf Dächern einschränkt. Ein internationales Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM), des Exzellenzclusters e-conversion sowie Partnern vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), DESY und KTH Royal Institute of Technology in Stockholm hat nun Möglichkeiten zur Verbesserung der Stabilität dieser Solarzellen entwickelt.
In ihrer Untersuchung identifizierten die Forschenden mikroskopische Mechanismen, die dazu führen, dass das Material bei Temperaturänderungen altert. Um den Leistungsverlust in den Perowskit-Solarzellen zu minimieren, wurde eine Strategie zur Stabilisierung der fragilen Kristallstruktur entwickelt, die auf speziell entwickelten „molekularen Ankern“ basiert. Dieser innovative Ansatz zielt darauf ab, die Kornstruktur und Grenzflächen der Solarzelle zu stabilisieren, insbesondere zwischen der Perowskit-Schicht und dem Substrat.
Erweiterte Stabilität durch molekulare Verstärkung
Ein separates Team unter der Leitung von Dr. Erkan Aydin an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hat eine neue Strategie vorgestellt, um die Widerstandsfähigkeit der Perowskit-Solarzellen gegen extreme Temperaturschwankungen zu erhöhen. Diese Bedingungen können nicht nur im Labor, sondern auch im niedrigen Erdorbit auftreten, wo Temperaturschwankungen zwischen -80 und +80 Grad Celsius extrem sind.
Die Forschenden präsentierten eine zweistufige molekulare Verstärkungsstrategie, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde. Zunächst wurde α-Liponsäure in die Perowskit-Schicht integriert, was ein Netzwerk an Korngrenzen bildet, das Defekte reduziert und die Stabilität erhöht. Zudem wird die Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und der Perowskit-Schicht mit speziellen Molekülen wie DMSLA (Dimethylsulfonium-Liponsäure) verstärkt.
Hochgradiger Erfolg und praktische Anwendungen
Die optimierten Solarzellen erreichen bemerkenswerte Wirkungsgrade von bis zu 26%, was einer Verbesserung von 3% im Vergleich zu herkömmlichen Referenzmodellen entspricht. Nach 16 Temperaturzyklen in der extremen Umgebung behalten die modifizierten Solarzellen 84% ihrer ursprünglichen Effizienz. Dies zeigt, dass die Materialdegradation vor allem in den ersten Zyklen auftritt, was wertvolle Hinweise zur Weiterentwicklung langlebiger Perowskit-Solarzellen liefert.
Die Technologie hat das Potenzial, in verschiedenen Anwendungen, insbesondere in der Raumfahrt und bei extremen Temperaturbedingungen, eingesetzt zu werden. Zusammen bieten die Ergebnisse der verschiedenen Forschungsgruppen neue Perspektiven für die Entwicklung stabiler und effizienter Perowskit-Solarzellen, die die Photovoltaik-Technologie revolutionieren könnten.