Stresstest für Perowskit-Solarzellen

Princeton (USA) - Günstig, flexibel, effizient – Diese Vorteile bieten Solarzellen auf der 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 Silizium-Solarzellen kaum noch nach. Allein die mangelnde Haltbarkeit der Perowskite bremst die Entwicklung einer Serienfertigung bisher aus. Doch nun gelang es amerikanischen Forschenden mit einer extrem dünnen Schutzschicht die Langlebigkeit ihrer Prototypen drastisch zu steigern. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, können ihre Perowskit-Solarzellen bei bis zu 35 Grad Celsius länger als fünf Jahre und ohne nennenswerte Zerfallserscheinungen Solarstrom erzeugen.

Besonders empfindlich sind bisher die Sonnenlicht absorbierende Perowskit-Schicht und die darunter liegende Schicht zum Transport der elektrischen Ladungsträger. Daher fügte nun die Arbeitsgruppe um Yueh-Lin Loo von der Princeton University zwischen diesen für die solare Stromerzeugung wichtigen Lagen eine nur wenige Atome dicke Schutzschicht aus den Elementen Caesium, Blei, Iod hinzu. Dieses zweidimensional genannte Material wirkte sich stark stabilisierend auf die umgebenden Schichten aus. Erste Beobachtungen zeigten, dass die Perowskit-Solarzelle selbst nach sechs Monaten nicht von ihrer Effizienz eingebüst hatte.

Diese überraschende Stabilität analysierten Loo und Kollegen darauf noch genauer. Dazu entwickelten sie eine Art Stresstest für Solarzellen, um innerhalb von Wochen und Monaten auf die Haltbarkeit über viele Jahre zurückschließen zu können. „Eine Haltbarkeit von 30 Jahren ist gewünscht, doch können wir unsere Zellen nicht 30 Jahre lang testen“, sagt Loo. Daher setzten die Forschenden ihre Solarzellen nicht nur dauerhaft künstlichem Sonnenlicht aus, sondern heizten sie zudem auf hohe Temperaturen von bis zu 110 Grad Celsius auf. Unter diesen Bedingungen ließ sich der Altererungsprozess der Solarzellen stark beschleunigen. Aus den dabei gewonnenen Daten konnte dann auf die tatsächliche Lebensdauer unter kühleren, realistischen Bedingungen zurückgeschlossen werden.

In diesen Stresstests bei 110 Grad sackte der Wirkungsgrad der Solarzellen erst nach mehr als 2100 Stunden auf etwa 80 Prozent ab. Bei 35 Grad konnten Loo und Kollegen dagegen kaum Leistungsverluste ausmachen. Genauere Berechnungen ergaben, dass die Solarzellen bei gemäßigten Temperaturen eine verblüffend lange Haltbarkeit von mehr als fünf Jahren erreichen sollten. „Damit mögen wir derzeit den Rekord halten“, sagt Loo, „aber schon in Kürze könnte eine andere Arbeitsgruppe einen besseren Rekord erzielen.“

Diese Studie belegt, dass zweidimensionale Schutzschichten das Stabilitätsproblem von Perowskit-Solarzellen lösen könnten. Mit neuen Materialvarianten und Fertigungsverfahren ist es nicht unwahrscheinlich, dass Perowskit-Solarzellen dann auch 20 bis 30 Jahre lang Solarstrom mit hoher Effizienz erzeugen können. Parallel ließe sich auch der im langlebigen Prototyp mit 17,4 Prozent relativ geringe Wirkungsgrad weiter steigern. Damit besteht eine realistische Chance, dass in wenigen Jahren reine Perowskit-Solarzellen mit mehr als 20 Prozent oder auch Perowskit-Silizium-Tandemzellen mit bis zu 30 Prozent Wirkungsgrad in Serie produziert werden können.