Die Abbildung zeigt eine künstleriche Darstellung der Perowskit-Kristallgitter mit unterschiedlichen Kationen. Dabei bildet das Perovskit ein aus pyramidenförmigen Strukturen bestehendes Gitter.

Rubidium macht Perowskit-Solarzellen stabiler

Stetig sinken die Preise für Solarzellen aus kristallinem Silizium – sie sind inzwischen bei weniger als einem Euro pro Watt installierter Leistung angekommen. Noch günstiger könnten in Zukunft Solarzellen aus Perowskit-Kristallen werden, die in den Laboren bereits Wirkungsgrade von über 22 Prozent erreichten. Stellte die noch mangelnde Langzeitstabilität bislang eine große Hürde dar, fanden nun Wissenschaftler in der Schweiz eine Lösung für dieses Problem. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, konnten zusätzliche Rubidiumionen in der Kristallstruktur die Stabilität deutlich steigern.

„Galten Perowskit-Solarzellen bisher als instabil, konnten wir eine entscheidende Stabilisierung erreichen, die die Brücke hin zu einer Industrialisierung schlägt“, sagt Michael Saliba von der Technischen Hochschule in Lausanne. Bislang bestehen die lichtaktiven Perowskit-Kristalle bevorzugt aus Caesium, Methylammonium und Bleiiodid. Saliba und Kollegen züchteten nun Kristalle, in denen zusätzlich das Alkalimetall Rubidium in die kristalline Struktur eingebaut war. Aus diesem Material fertigten sie kleine Solarzellen verschiedener Größe und überprüften deren Eigenschaften.

Die aufnahme zeigt eine Mikroskopaufnahme der vielen Schichten der neuen Perowskit-Solarzelle auf einem Glasträger als ein Schnitt durch die Zelle hindurch.
Perowskit-Solarzelle

Die beste Solarzelle mit Rubidium- und Caesiumanteilen zeigte einen hohen Wirkungsgrad von 21,6 Prozent bei einer elektrischen Spannung von knapp 1,2 Volt. Selbst ein größeres Exemplar mit einem halben Quadratzentimeter Fläche wandelte künstliches Sonnenlicht aus einer genormten Quelle immer noch mit einem Wirkungsgrad von 19 Prozent in photovoltaischen Strom um. Verblüffend stabil zeigte sich ein Exemplar, das die Forscher 500 Stunden lang bei hohen 85 Grad Celsius ununterbrochen beleuchteten. Nach dieser langen Zeit sank der anfängliche Wirkungsgrad von etwas mehr als 17 Prozent nur um ein Zwanzigstel ab. „Diese geringe Alterung unter voller Last überschreitet sogar gängige Industrienormen“, sagt Saliba.

So absolvierte die neue Perowskit-Solarzelle diesen anerkannten Stresstest, der eine langjährige Nutzung simulieren soll, erfolgreich. Allerdings fand dieser Versuch noch unter einer trockenen Stickstoffatmosphäre statt. Ein Mittel gegen den Zerfall der Perowskit-Kristalle bei hoher Feuchtigkeit kann der neue Ansatz nicht bieten. Doch in der Praxis könnte man dieses Problem mit einer wasserdichten Verkapselung lösen. Mit diesem Ergebnis rücken Perowskit-Solarzellen wieder einen Schritt näher hin zur Massenfertigung. Ein weiteres Resultat von Forschern der Politecnico di Torino in Italien zeigt ebenfalls eine Stabilisierung von Perowskit-Solarzellen – erreicht mit dem Zusatz von Fluoropolymeren.

Dass bei der Produktion im Unterschied zu Silizium-Solarzellen keine aufwendigen Reinraum- und Vakuumbedingungen herrschen müssen, könnte die Kosten der Fertigungsprozesse senken. Prinzipiell ließen sich Perowskit-Solarzellen auch auf großen Flächen, vergleichbar mit anderen Dünnschicht-Modulen etwa aus Cadmiumtellurid, herstellen. Die Forscher hoffen nun darauf, dass Perowskit-Solarzellen in Zukunft – entweder allein oder im Tandem mit Silizium-Modulen – mit Wirkungsgraden um 30 Prozent in ersten Pilotfabriken gefertigt werden könnten.