HZB mit Meilenstein: Forschende steigern Stabilität von Perowskit-Solarzellen - Marktreife rückt näher

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Berlin - Perowskit-Halbleiter versprechen eigentlich hocheffiziente und preisgünstige Solarzellen, doch das halborganische Material ist sehr temperaturempfindlich. Forschende am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie haben nun herausgefunden, dass die Beigabe einer dipolaren Polymerverbindung zur Vorläuferlösung des Perowskits die Stabilität enorm verbessert.

Diesen Effekt zeigt nun ein internationales Team um Antonio Abate, HZB, im Fachjournal Science. Das Besondere: Die so hergestellten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von deutlich über 24 Prozent, die auch bei dramatischen Temperaturschwankungen zwischen -60 und +80 Grad Celsius über hundert Zyklen kaum sinken. Das entspricht etwa einem Jahr im Außeneinsatz.

„Wir haben die Bauelementstruktur und die Prozessparameter optimiert, wobei wir auf frühere Ergebnisse aufbauen konnten. So gelang uns schließlich eine entscheidende Verbesserung mit b-Poly(1,1-difluorethylen) oder kurz b-pV2F", sagt Guixiang Li, der unter der Leitung von Prof. Abate promoviert. b-pV2F-Moleküle ähneln einer Zickzackkette, die mit alternierenden Dipolen besetzt ist. „Dieses Polymer scheint sich wie eine weiche Schale um die einzelnen Perowskit-Mikrokristalle in der dünnen Schicht zu legen und bildet eine Art Polster gegen thermomechanische Belastungen ", erklärt Abate.

Zudem verbessert die Dipolkette von b-pV2F offenbar den Transport von Ladungsträgern und erhöht damit den Wirkungsgrad der Zelle. Tatsächlich konnte die Gruppe im Labormaßstab Zellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 24,6 Prozent herstellen, ein Rekord für die p-i-n-Architektur.

Die so hergestellten Solarzellen mussten einen harten Test durchlaufen: mehr als hundert Zyklen zwischen +80 Celsius und -60 Celsius und 1000 Stunden kontinuierlicher 1-Sonnen-Äquivalent-Beleuchtung mussten sie aushalten. Das entspricht etwa einem Jahr Außeneinsatz. „Selbst unter diesen extremen Belastungen erreichten sie am Ende noch einen Wirkungsgrad von 96 %", betont Abate. Das liegt schon in der richtigen Größenordnung.

Wenn es nun zudem gelingt, die Verluste noch ein wenig zu reduzieren, könnten Perowskit-Solarmodule auch nach 20 Jahren noch einen Großteil ihrer ursprünglichen Leistung erbringen - dieses Ziel rückt nun in greifbare Nähe.