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Testflug gelungen

Hochleistungssolarzellen für den Weltraum

20. August 2020, 13:05 Uhr | Hagen Lang

Nahaufnahme des Nutzlastmoduls “Organic and Hybrid Solar Cells In Space” (OHSCIS).

Das Gewicht aktueller Solarzellen setzt dem Energiebedarf von Satelliten Grenzen. Ein Forscherteam der TU München und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat jetzt Zellen im Weltraum getestet, die bei gleichem Gewicht die zehnfache Energie heutiger Solarzellen liefern könnten.

Heutige Solarzellen liefern bis zu drei Watt pro Gramm Gewicht. Die Forscher des Kölner DLR und der TU München glauben, dass Perowskit- und organische Solarzellen, die gegenwärtig Wirkungsgrade von Siliziumsolarzellen erreichen, künftig das Zehnfache an Energie pro Gewichtseinheit liefern werden.

„Die besten Perowskit-Solarzellen erreichen derzeit Wirkungsgrade von 25 Prozent“, sagt Peter Müller-Buschbaum, Professor für funktionelle Materialien im Physik-Department der TUM. „Solche weniger als einen Mikrometer dünnen Solarzellen, aufgebracht auf ultradünnen, flexiblen Kunststofffolien, sind extrem leicht. Daher können diese Zellen eine Energieausbeute von knapp 30 Watt pro Gramm erreichen.“

Vorteile haben die neuen Solarzellen auch bei der Produktion: Perowskit-Zellen und organische Halbleiter lassen sich bei Raumtemperatur und aus einer Lösung heraus herstellen. Bei der Silizium-Solarzellenproduktion müssen hohe Temperaturen und viele komplexe Prozessschritte beherrscht werden.

„Diese organischen Lösungen kann man sehr einfach verarbeiten“, sagt Erstautor Lennart Reb. „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.“

Erfolgreicher Testflug

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 Kilometern.

„Mit unserem MAPHEUS-Programm haben wir die Möglichkeit, sehr zügig Experimente in die Schwerelosigkeit zu bringen und so zu vielversprechenden Forschungsergebnissen zu kommen“, sagt Professor Andreas Meyer, Koautor und Direktor des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum. „Dieses Mal ging es besonders schnell: Von der ersten Idee bis zum Flug der Solarzellen während der MAPHEUS 8-Kampagne verstrich weniger als ein Jahr.“

„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“, sagt Müller-Buschbaum. „Daher haben die Messungen einen hohen wissenschaftlichen Wert.“

Auch unter diffusem Lichteinfall erzeugten die Solarzellen elektrische Energie. „Sonnenabgewandte Zellen die während des Fluges nur spärliche Beleuchtung ausschließlich von der Erde erhielten, lieferten dennoch Strom“, sagt Reb.