München. Forschende der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) haben molekulare „Stoßdämpfer“ entwickelt, um stabile Perowskit Solarzellen gegenüber extremen Temperaturschwankungen widerstandsfähig zu machen. Die neuen Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von 26 Prozent und behalten ihre Leistung auch nach starken Temperaturwechseln zwischen -80 und +80 Grad Celsius.
Solarzellen widerstandsfähig machen: Fortschritte bei stabilen Perowskit Solarzellen
Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechende Photovoltaik-Technologie der nächsten Generation, da sie kostengünstig herstellbar sind und hohe Wirkungsgrade bieten. Ein zentrales Hindernis ist jedoch ihre geringe mechanische Stabilität bei starken Temperaturschwankungen. Im Orbit und anderen extremen Umgebungen können Temperaturwechsel von bis zu 160 Grad Celsius auftreten. Diese führen zu Materialermüdung, Rissen und Ablösung der Schichten, was zu Leistungseinbußen führt.
Das Forschungsteam um Dr. Erkan Aydin vom Department für Chemie und Pharmazie der LMU hat eine zweistufige molekulare Verstärkungsstrategie entwickelt. Dabei stabilisierten die Wissenschaftler sowohl die Kornstruktur des Perowskit-Materials als auch die Grenzflächen zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und dem Substrat.
Molekulare Verstärkung der Kornstruktur und Grenzflächen
Zur Verbesserung der Kornstruktur wurde Alpha-Liponsäure in das Perowskit eingebunden. Diese Moleküle polymerisieren teilweise während der Herstellung und bilden ein Netzwerk an den Korngrenzen. Diese Vernetzung reduziert Defekte und verbessert die mechanische Stabilität gegenüber Dehnungen und Schrumpfungen durch Temperaturveränderungen.
Parallel dazu verwendete das Team ein spezielles Molekül, Dimethylsulfonium-Liponsäure (DMSLA), um die Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und der Perowskit-Schicht zu verstärken. DMSLA bildet starke chemische Bindungen und wirkt wie ein flexibles, verankertes Netz, das die Perowskit-Schicht fest mit dem Substrat verbindet und somit Ablösungen verhindert.
„Man kann sich diese Moleküle wie ein flexibles, verankertes Netz vorstellen. Sie sorgen dafür, dass die lichtabsorbierende Perowskit-Schicht fest mit dem Substrat verbunden bleibt, sodass sie sich an Temperaturänderungen anpassen kann, ohne dass es zu einer Ablösung kommt“, sagte Dr. Erkan Aydin.
Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit bei extremen Bedingungen
Die optimierten Perowskit-Solarzellen erreichten in den Tests Wirkungsgrade von 26 Prozent, das sind etwa drei Prozent mehr als bei den Referenzzellen. Nach 16 Zyklen mit Temperaturwechseln zwischen -80 und +80 Grad Celsius behielten sie 84 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz, während die herkömmlichen Zellen deutliche Leistungseinbußen verzeichneten.
Die Studie zeigte, dass die Dauer der thermischen Belastung einen entscheidenden Einfluss auf die Materialdegradation hat. Ein Großteil der Schäden entsteht schon in den ersten Zyklen.
Diese Ergebnisse sind insbesondere für Anwendungen mit extremen Umgebungsbedingungen relevant, wie etwa in der Raumfahrt, bei flugfähigen Plattformen in der Stratosphäre oder in der Entwicklung leichter, flexibler Solarmodule.
Interessierte Leser finden weitere Informationen zur Perowskit-Technologie und deren Herausforderungen bei der Ludwig-Maximilians-Universität München sowie in der veröffentlichten Studie in Nature Communications.
Ausblick auf die Entwicklung stabiler Perowskit Solarzellen
Die Forschenden der LMU werden ihre Arbeiten fortsetzen, um ein besseres Verständnis der Materialeigenschaften unter extremen Bedingungen zu erreichen und die Technologie weiter zu verbessern. Ziel ist eine langlebige und zuverlässige Anwendung insbesondere in der Raumfahrttechnik.
Weitere Informationen sowie aktuelle Meldungen zu nachhaltiger Energie und Technik finden Sie auf regionalupdate.de. Um sich umfassend über Solarzellentechnologien zu informieren, ist auch die Webseite des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE empfehlenswert.
