Video vom Flug einer Mapheus-8-Rakete, die Health-Monitoring-Systeme, eine Hybridgehäuse-Struktur und eine Nutzlast aus verschiedenen biologischen und materialwissenschaftlichen Experimenten in eine Höhe von rund 240 km brachte.

Bild: DLR / Video: DLR

Organische Photovoltaik Neue Solarzellen für den Weltraum

14.08.2020

Nahezu alle Satelliten beziehen ihren Strom aus Solarzellen. Diese erzeugen aktuell bis zu 3 W/g. Perowskit- und organische Hybridzellen könnten das bis zu Zehnfache liefern. Ein Forschungsteam der TU München und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt hat solche Zellen nun erstmals erfolgreich auf einem Raketenflug getestet.

Perowskit- und organische Solarzellen sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Generationen von Solarzellen. In den vergangenen Jahren haben ihre Wirkungsgrade schnell zu den konventionellen Solarzellen auf Siliziumbasis aufgeschlossen.

„Die besten Perowskit-Solarzellen erreichen derzeit Wirkungsgrade von 25 Prozent“, sagt Peter Müller-Buschbaum, Professor für funktionelle Materialien im Physik-Department der TU München. „Solche weniger als 1 μm dünnen Solarzellen, aufgebracht auf ultradünnen, flexiblen Kunststoff-Folien, sind extrem leicht. Daher können diese Zellen eine Energieausbeute von knapp 30 W/g erreichen.“

Herstellung bei Raumtemperatur

Möglich wird diese Energieausbeute durch einen entscheidenden Vorteil der neuen Solarzellen: Während die Herstellung von Silizium-Solarzellen sehr hohe Temperaturen und viele Prozessschritte erfordert, lassen sich Perowskit-Zellen und organische Halbleiter bei Raumtemperatur und aus einer Lösung heraus herstellen.

„Diese organischen Lösungen kann man sehr einfach verarbeiten“, erklärt Lennart Reb, Erstautor der Publikation in Joule. „So erschließen die Technologien neue Anwendungsfelder, in denen herkömmliche Solarzellen einfach zu unhandlich oder zu schwer waren – und das reicht weit über die Raumfahrttechnik hinaus.“

Testflug ins Weltall

Auf einem Forschungsflug im Rahmen der Kampagne Mapheus 8 auf der European Space and Sounding Rocket Range im schwedischen Kiruna wurden je zwei verschiedene Typen von organischen und Perowskit-Solarzellen erstmals unter Weltraumbedingungen getestet. Die Rakete erreichte dabei eine Höhe von knapp 240 km.

„Mit unserem Mapheus-Programm haben wir die Möglichkeit, sehr zügig Experimente in die Schwerelosigkeit zu bringen und so zu vielversprechenden Forschungsergebnissen zu kommen“, sagt Prof. Andreas Meyer, Koautor und Direktor des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum. Das sei dieses Mal besonders schnell gegangen: So verstrich laut Meyer weniger als ein Jahr von der ersten Idee bis zum Flug der Solarzellen während der Mapheus-8-Kampagne.

Strom auch bei schwachem Sonnenlicht

„Die elektrischen Messungen während des Fluges und die materialwissenschaftliche Auswertung nach Bergung der Rakete haben gezeigt, dass Perowskit- und organische Solarzellen ihr Potenzial hinsichtlich ihrer erwarteten Leistung in Umlaufbahnhöhe erreichen können“, berichtet Müller-Buschbaum. „Daher haben die Messungen einen hohen wissenschaftlichen Wert.“

Auch unter diffusem Lichteinfall erzeugten die Solarzellen dabei elektrische Energie. Reb: „Sonnenabgewandte Zellen, die während des Fluges nur spärliche Beleuchtung ausschließlich von der Erde erhielten, lieferten dennoch Strom.“ Aufgrund ihrer sehr viel geringeren Schichtdicke könnten die neuen Solarzellen daher auch bei schwachen Lichtverhältnissen eingesetzt werden, beispielsweise für Missionen ins äußere Sonnensystem, wo die Sonne für herkömmliche Weltraumsolarzellen zu schwach wird.

„Es wäre nicht das erste Mal“, stellt DLR-Materialwissenschaftler Meyer in Aussicht, „dass Innovationen sich zuerst als Weltraum-Technologien etablieren, bevor sie dann weltweit in anderen Bereichen angewendet werden. Ein Grund dafür sind sicherlich die sehr hohen Anforderungen, die der Weltraum an alle technischen Komponenten stellt.“

Bildergalerie

  • Nahaufnahme des Nutzlastmoduls „Organic and Hybrid Solar Cells In Space“ (OHSCIS)

    Bild: Benjamin Predeschly, TU München

  • Erstautor Lennart Reb (links) und Prof. Dr. Peter Müller-Buschbaum mit dem Nutzlastmodul OHSCIS

    Bild: Wei Chen, TU München

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