Die Forschung an neuen Materialien für die Photovoltaik nimmt an Fahrt auf. Besonders vielversprechend sind Perowskite, die als kostengünstige Alternative zu klassischen Silizium-Solarzellen gelten. Diese Erkenntnisse stammen von Forschern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), die sich am Energiecampus Nürnberg (EnCN) intensiv mit dem Stromfluss in Perowskit-Materialien auseinandersetzen. Perowskit-Zellen haben das Potenzial, eine Revolution in der Solarenergie herbeizuführen.
Perowskit-Solarzellen zeichnen sich durch mehrere Vorteile aus. Ihre Herstellung ist günstiger im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen, die auf energieintensiv hergestellten Silizium-Halbleitern basieren. Zudem erreichen sie einen hohen Wirkungsgrad von über 26 Prozent und zeigen eine hohe Defekttoleranz. Diese Eigenschaft erlaubt es ihnen, ihre optoelektronischen Eigenschaften auch bei Fehlern in der Kristallstruktur zu bewahren. Jedoch ist der Einsatz von Blei als Bestandteil in diesen Zellen auch ein klarer Nachteil, da dies Umwelt- und Gesundheitsrisiken birgt.
Forschung zu Langzeitstabilität
Ein zentrales Thema der aktuellen Forschung ist die Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen. Ein internationales Team unter der Leitung von Prof. Antonio Abate hat in einer Studie die Auswirkungen extremer Temperaturzyklen auf diese Materialien untersucht. Der experimentelle Teil der Studie umfasste Temperaturvariationen zwischen -150 °C und +150 °C, was das Verhalten der Mikrostrukturen und die Wechselwirkungen zwischen den Schichten der Zellen unter Extrembedingungen simulierte. Die Ergebnisse wurden jüngst in der Fachzeitschrift Nature Reviews Materials veröffentlicht.
Die Forscher fanden heraus, dass thermische Spannungen eine entscheidende Rolle bei der Degradation der Metall-Halogenid-Perowskite spielen. Diese Zellen können Wirkungsgrade von bis zu 27 Prozent erreichen, allerdings wird ihre Langzeitstabilität im Außeneinsatz als fraglich eingeschätzt. Solarmodule sollten idealerweise mindestens 20 bis 30 Jahre stabilen Ertrag liefern, um wirtschaftlich rentabel zu sein.
Erforderliche Schritte zur Verbesserung
Um die Stabilität unter realen Bedingungen zu verbessern, entwickeln die FAU-Forscher Kriterien für die Defekttoleranz bei Halbleiterverbindungen. Der Herstellungsprozess von Perowskit-Zellen könnte durch Verbesserungen in der kristallinen Qualität sowie durch geeignete Pufferschichten optimiert werden. Standardisierte Testprotokolle zur Ermittlung der Stabilität bei Temperaturwechseln sind ebenfalls notwendig, um die Herausforderungen bei der Anwendung im Freien besser zu verstehen.
Zusammengefasst bietet die Forschung an Perowskite eine vielversprechende Perspektive für kostengünstige und langlebige Solarzellen, die sich leichter an verschiedene Anwendungen anpassen lassen. Trotz der Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf die Langzeitstabilität und den Bleigehalt, könnte die gezielte Weiterentwicklung dieser Technologien entscheidend für die künftige Ausrichtung der Photovoltaik sein. Die FAU-Forscher arbeiten daran, verlässliche Vorhersagen für umweltfreundliche Materialien zu treffen, um langfristige Lösungen zu finden.
