Startseite > Power > Erneuerbare Energien > Perowskit-Solarzelle mit ultralanger Haltbarkeit

Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg

Perowskit-Solarzelle mit ultralanger Haltbarkeit

20. Dezember 2021, 14:42 Uhr | Ralf Higgelke

Dr. Yicheng Zhao mit Perowskit-Solarzellen- und Dünnschicht-Proben vor einer Hochdurchsatzanlage des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg des Forschungszentrums Jülich

Perowskite gelten als Hoffnungsträger für die Solarmodule der Zukunft. Als größte Hürde für den praktischen Einsatz galt bislang deren kurze Lebensdauer. Dies könnte sich durch eine Entdeckung von Forschenden des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg des Forschungszentrum Jülich nun ändern.

Kennzeichnend für Perowskite ist eine bestimmte Kristallstruktur. Gegenüber Siliziumkristallen weisen sie mehrere entscheidende Vorteile auf: Sie lassen sich einfach, kostengünstig und energiesparend herstellen. Die nur wenige hundert Nanometer dünnen Schichten der Perowskit-Zellen lassen sich zudem hervorragend auf herkömmlichen Siliziumzellen aufbringen. Während die Technologie auf Siliziumbasis bereits als ausgereift gilt, bieten solche Tandem-Solarzellen neue Möglichkeiten, die Effizienz von Solarzellen weiter zu verbessern.

»Die Achillesferse der Perowskit-Solarzellen ist ihre geringe Haltbarkeit«, erklärt Prof. Christoph Brabec vom Helmholtz Institut Erlangen-Nürnberg (HI ERN) des Forschungszentrum Jülich. »Klassische Silizium-Module sind recht langlebig. Selbst nach mehr als zwanzig Jahren im praktischen Einsatz büßen sie nur wenig von ihrer Leistungsfähigkeit ein.« Solarzellen aus Perowskit hingegen verlieren meist schon nach wenigen Tagen oder Wochen an Effizienz. Früheren Modellen konnte man beim Altern regelrecht zuschauen: Der Wirkungsgrad sank innerhalb von Sekunden oder Minuten nach dem Anschalten der Beleuchtung im Labor.

»Die Solarzelle, die wir nun in Nature Energy vorgestellt haben, besticht dagegen durch ihre außergewöhnliche Stabilität«, so Brabec. 1450 Stunden musste die beleuchtete Zelle bei erhöhten Temperaturen um die +65 °C im Labor überstehen und blieb über den gesamten Testzeitraum hinweg weitgehend stabil. Am Ende hatte sie immer noch 99 Prozent des anfänglichen Wirkungsgrads. »Eine Langzeitprognose ist immer schwierig. Aber die Perowskit-Solarzelle, die wir jetzt entwickelt haben, könnte unter normalen Umständen sicherlich schon über 20.000 Betriebsstunden betrieben werden«, schätzt Prof. Brabec.

Mit Hochdurchsatz zum Erfolg

Das Ergebnis ist kein Zufallstreffer. Auf der Suche nach dem passenden Material hatten die Forschenden hunderte verschiedene Perowskit-Mischungen mittels Hochdurchsatzmethoden systematisch auf ihre Eignung hin überprüft. Die besten nutzten die Forschenden anschließend für den Bau ihrer Zelle. »Selbst wenn man nur auf bewährte Komponenten setzt, kommt man auf ungeheure Anzahl an möglichen Zusammensetzungen, die wir mit unseren Verfahren automatisiert herstellen und prüfen können. In anderen Untersuchungen sind es teilweise sogar noch deutlich mehr«, erläutert Dr. Yicheng Zhao, der die Untersuchungen maßgeblich durchgeführt hat. »Daher müssen wir systematisch vorgehen, um die besten Materialkombinationen zu identifizieren.«

Dr. Yicheng Zhao erklärt, was es mit der neuen Perowskit-Solarzelle auf sich hat.

Ein weiterer wichtiger Schritt zur Optimierung betrifft die stabile Kontaktierung des Perowskits innerhalb der in mehreren dünnen Schichten aufgebauten Zelle. Die üblicherweise als Kontakte genutzten ionischen Dotierstoffe oder metalloxidischen Nanopartikel neigen bei höheren Temperaturen zu Sekundärreaktionen. Diese können sogar bis zur Korrosion der Metallelektroden führen, wie die Forschenden des HI ERN durch Messungen und rastelektronenmikroskopische Untersuchungen nachweisen konnten. Kontakt und elektrische Leitfähigkeit verschlechtern sich so schon frühzeitig.

»Um die Stabilität an der Kontaktstelle zu verbessern, haben wir die gesamte Elektrode in eine Art Schutzhülle gepackt«, so Zhao. Eine neue Doppelschicht-Polymer-Struktur, deren Unterseite undotiert und deren Oberseite mit einem nicht-ionischen Material dotiert ist, schützt vor Zersetzung und sorgt dafür, dass die Kontaktierung erhalten bleibt. Diese Architektur beschützt auf der einen Seite die sehr sensible Grenzfläche zum Perowskite und zeigt auf der anderen Seite eine außerordentlich stabile Leitfähigkeit, auch bei erhöhten Temperaturen.

Für die Zukunft streben die Forschenden des HI ERN nun weitere Effizienzverbesserungen an. „Mit einem Wirkungsgrad von 20,9 Prozent reizt die getestet Zelle das Potenzial noch nicht voll aus. 24 bis 25 Prozent sollten in der nahen Zukunft möglich sein“, erklärt Yicheng Zhao.

Originalpublikation

Zhao, Y., Heumueller, T., Zhang, J. et al., A bilayer conducting polymer structure for planar perovskite solar cells with over 1,400 hours operational stability at elevated temperatures. Nat Energy (published online 16 December 2021). DOI: 10.1038/s41560-021-00953-z