Haltbarkeit von Solarzellen verlängert

Günstiger, flexibler, effizienter – diese Vorteile bieten Solarzellen auf Basis von Perowskiten im Vergleich zum bisher dominierenden Halbleitermaterial Silizium. Auch ein hoher Wirkungsgrad der besten Laborzellen von 25,7 Prozent steht der Effizienz von Siliziumsolarzellen kaum noch nach. Allein die mangelnde Haltbarkeit der Perowskite bremst bislang die serielle Fertigung. Doch nun gelang es Forschern mit einer extrem dünnen Schutzschicht die Langlebigkeit ihrer Prototypen drastisch zu steigern. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science" berichten, können ihre Perowskitsolarzellen bei bis zu 35 Grad Celsius länger als fünf Jahre Solarstrom erzeugen.

Besonders empfindlich sind bisher die Sonnenlicht absorbierende Perowskitschicht und die darunter liegende Schicht zum Transport der elektrischen Ladungsträger. Daher fügten nun Yueh-Lin Loo von der Princeton University und ihr Team zwischen diese beiden Lagen eine nur wenige Atome dicke Schutzschicht aus den Elementen Caesium, Blei und Iod hinzu. Das sogenannte zweidimensionale Material wirkte sich stark stabilisierend auf die umgebenden Schichten aus, die besonders wichtig für die solare Stromerzeugung sind. Erste Beobachtungen zeigten bereits, dass die Effizienz der Perowskitsolarzelle selbst nach sechs Monaten nicht abnahm.

Diese überraschende Stabilität analysierten Loo und ihre Kollegen daraufhin noch genauer, indem sie eine Art Stresstest für Solarzellen entwickelten. „Eine Haltbarkeit von 30 Jahren ist gewünscht, doch können wir unsere Zellen nicht 30 Jahre lang testen", sagt Loo. Daher setzten die Forscher ihre Solarzellen nicht nur dauerhaft künstlichem Sonnenlicht aus, sondern heizten sie auch auf hohe Temperaturen von bis zu 110 Grad Celsius auf. Unter diesen Bedingungen ließ sich der Alterungsprozess der Solarzellen stark beschleunigen. Aus den gesammelten Daten schlossen Loo und ihr Team dann auf die tatsächliche Lebensdauer unter kühleren, realistischeren Bedingungen.

Der Stresstest zeigte, dass bei Temperaturen von 110 Grad Celsius der Wirkungsgrad der Solarzellen erst nach mehr als 2100 Stunden auf etwa 80 Prozent des urspünglichen Wirkungsgrades abfiel. Bei 35 Grad Celsius haben Loo und ihre Kollegen dagegen kaum Leistungsverluste beobachtet. Genauere Berechnungen ergaben, dass die Solarzellen bei gemäßigten Temperaturen eine verblüffend lange Haltbarkeit von mehr als fünf Jahren erreichen. Mit neuen Materialvarianten und Fertigungsverfahren ist es demnach möglich, dass Perowskitsolarzellen zukünftig auch 20 bis 30 Jahre lang Solarstrom mit hoher Effizienz erzeugen können, so die Forscher. Parallel ließe sich auch der bislang relativ geringe Wirkungsgrad des Prototypen von 17,4 Prozent weiter steigern. Damit besteht eine realistische Chance, dass in wenigen Jahren reine Perowskitsolarzellen mit mehr als 20 Prozent Wirkungsgrad oder auch Perowskit-Silizium-Tandemzellen mit bis zu 30 Prozent Wirkungsgrad in Serie produziert werden können.