Perowskit-Solarzellen gelten als Technologiesprung in der Photovoltaik, da sie Solarstrom günstiger und effizienter machen. Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben gemeinsam mit Partnern vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) sowie vom KTH Royal Institute of Technology in Stockholm die mikroskopischen Mechanismen aufgedeckt, durch die schwankende Temperaturen das Material altern lassen. Zudem haben sie eine Strategie entwickelt, um dies zu verhindern. Ihr Ansatz: Die fragile Kristallstruktur mithilfe speziell entwickelter „molekularer Anker“ stabilisieren.
Jenseits des Labors: Überleben in der realen Welt
Um die Klimaziele von morgen zu erreichen, müssen Solarzellen über Jahrzehnte hinweg zuverlässig funktionieren. Zwar erreichen Perowskit-Materialien bereits rekordverdächtige Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom, jedoch stehen sie in der Natur einem harten Gegner gegenüber: extremen Temperaturschwankungen. Fachleute nennen dies thermische Zyklen. Innerhalb eines einzigen Tages muss ein Solarmodul sowohl frostigen Nächten als auch großer Hitze standhalten. Diese realen Bedingungen – wiederholtes Erwärmen und Abkühlen – können eine frühzeitige Materialdegradation (Alterung) auslösen, wodurch Perowskit-Solarzellen einen Teil ihrer Leistungsfähigkeit verlieren.
„Wenn wir diese Zellen auf unseren Dächern sehen wollen, müssen wir sicherstellen, dass sie nicht nur im Labor funktionieren, sondern auch den jahreszeitlichen Belastungen trotzen“, sagt Prof. Peter Müller-Buschbaum. Er leitet den Lehrstuhl für Funktionelle Materialien an der TUM School of Natural Sciences und ist Mitglied des Exzellenzclusters E-Conversion. Sein Team erforscht die mikroskopischen Ursachen und hat nun entschlüsselt, wie diese das Material instabil machen. Auf Basis dieser Erkenntnisse sind neue Designstrategien entstanden, um die obere Schicht von Tandem-Solarzellen robuster zu gestalten, sodass sie den realen Bedingungen standhalten können. Tandem-Solarzellen bestehen aus mindestens zwei übereinandergestapelten Solarzellen und nutzen dadurch das Sonnenlicht besser aus.
Die Einbrenn-Phase entschlüsselt
In einer Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, untersuchte der Erstautor Dr. Kun Sun vom Lehrstuhl für Funktionelle Materialien der Technischen Universität München (TUM) gemeinsam mit dem Forschungsteam sogenannte hocheffiziente Wide-Bandgap-Zellen – die oberen Zellen in einer Tandem-Solarzelle. Mithilfe hochauflösender Röntgenmessungen am DESY beobachteten sie in Echtzeit, wie sich das Material bei schnellen Temperaturänderungen ausdehnt und zusammenzieht, also „atmet“.
Bemerkenswert an dieser Entdeckung ist, dass die Degradation in einer ausgeprägten anfänglichen Einbrenn-Phase auftritt, die von Experten als „Burn-in“ bezeichnet wird. In dieser Phase verlieren die Zellen bis zu 60 Prozent ihrer relativen Leistungsfähigkeit. „Wir konnten zeigen, dass eine Art mikroskopisches Tauziehen diesen Verlust auslöst“, erklärt Dr. Kun Sun. „Im Inneren des Materials entstehen Spannungen und seine Struktur verändert sich. Das kostet Leistung.“ Mit diesem Wissen haben Ingenieurinnen und Ingenieure nun ein Entwicklungsziel: Sie wollen die „Burn-in“-Phase unterbinden, um langfristige Stabilität zu erreichen.
Den „perfekten Anker“ entwickeln
Doch wie lässt sich verhindern, dass das Material buchstäblich auseinanderfällt? In einer zweiten, in ACS Energy Letters veröffentlichten Studie berichten die Forschenden, wie sich das empfindliche Kristallmaterial stabilisieren lässt. Sie verwenden dafür spezielle organische Moleküle, die als Abstandshalter wirken und die Struktur dabei wie ein Anker zusammenhalten – vergleichbar mit einem molekularen Gerüst.
Durch den Vergleich verschiedener solcher Abstandshalter fanden die Forschenden einen Gewinner: Während gängige Kandidaten zum strukturellen Zerfall führten, erwies sich das voluminösere organische Molekül PDMA als beste Option. Es entstand eine deutlich robustere Solarzelle, die selbst unter dem mechanischen Stress schneller Erwärmung und Abkühlung stabil bleibt.
„Die Zukunft der Photovoltaik trägt die Vorsilbe Tandem“, ist Prof. Peter Müller-Buschbaum überzeugt. „Indem wir die mikroskopischen Mechanismen verstehen, ebnen wir den Weg für eine neue Generation von Solarmodulen, die sowohl hocheffizient als auch robust genug für Jahrzehnte im Außeneinsatz sind.“
