Perowskit-Solarzellen – Besonders effizient am Morgen

Lausanne (Schweiz)/Okinawa (Japan) - Solarzellen aus Perowskit-Materialien stehen den etablierten Silizium-Zellen kaum noch nach. Im Labor wurden bereits Wirkungsgrade über 24 Prozent erreicht, die besten Siliziumzellen rangieren bei 27,6 Prozent. Doch bevor potenziell günstiger zu produzierende Perowskit-Zellen auf den Markt drängen können, muss ihre Einsatzreife und Langlebigkeit belegt werden. Auf diesem Weg entwickelten nun Wissenschaftler aus der Schweiz ein neues Verfahren, um Perowskit-Solarzellen unter realitätsnahen Bedingungen zu testen. Zudem statteten japanische Forscher Perowskit-Solarzellen mit einem selbstheilenden Kunststoff aus, mit dem sich eine Belastung mit dem Schwermetall Blei aus zerbrochenen Solarzellen minimieren lässt. Beide Arbeiten erschienen in der jüngsten Ausgabe des Fachblatts „Nature Energy“.

„Wir charakterisieren den Einfluss von Temperatur und Lichtintensität auf den Wirkungsgrad“, sagt Wolfgang Tress, Perowskit-Forscher an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Mit seinen Kollegen baute er einen Teststand auf, mit dem sich die Stromausbeute der Solarzellen in Abhängigkeit vom Wetter und der schwankenden Sonneneinstrahlung im Labor bestimmen ließ. Bisher sind im Labor Testläufe mit einer genormten Sonneneinstrahlung und bei konstanter Temperatur üblich. Doch für das Verhalten der Solarzellen in einem Solarpark unter freiem Himmel liefern diese Messungen nur begrenzt brauchbare Informationen.

Tress und Kollegen nutzten Wetterdaten, die im Laufe eines Jahres in Lausanne aufgezeichnet wurden. Auf der Basis von 24 Datensätzen – je einer pro Monat – variierten sie Temperatur und Strahlungsintensität. Abhängig von diesen Tagesläufen konnten sie realistischere Stromausbeuten der Perowskit-Solarzellen bestimmen als mit dem bisher üblichen, genormten Testverfahren. So erreichten die Solarzellen in diesen Testläufen einen mittleren Wirkungsgrad von 17,7 Prozent, etwas geringer als der Laborwert von 19,5 Prozent unter Normbedingungen.

Die größte Effizienz zeigten die Solarzellen in den simulierten Morgenstunden. Diese ging während eines Tageslaufs etwas zurück, was die Forscher mit kurzfristigen und reversiblen Veränderungen – einer sogenannten Degradation – in der Solarzelle begründeten. Dafür überzeugten die Perowskit-Solarzellen mit relativ hohen Stromausbeuten bei geringen Strahlungsintensitäten, wie sie in Mitteleuropa und weiter nördlich liegenden Regionen häufig auftreten. Bei schwankenden Temperatur konnten die Forscher keinen klaren Trend ausmachen. Auf der Basis solcher Messungen ließen sich in Zukunft Solarparks besser planen, um die Menge an Perowskit-Solarzellen der erwarteten Stromausbeute anzupassen.

Eine mögliche Umweltverlastung mit Blei ist ebenfalls hochrelevant für den praktischen Einsatz von Perowskit-Solarzellen. Denn die meisten heute verwendeten Perowskite enthalten dieses Schwermetall. Doch Yabing Qi und seine Kollegen von der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) fanden nun eine Lösung. Sie statteten Perowskit-Solarzellen mit einer dünnen Schicht aus Epoxidharz aus. Zerbrach nun die Solarzelle – im praktischen Einsatz etwa bei Stürmen und Hagelschauern möglich – fing das Epoxidharz die bleihaltigen Substanzen auf. Ein Auswaschen des giftigen Bleis durch Regen könnte so effizient vermieden werden. Zusätzlich zu selchen selbstheilenden Verkapselungen arbeiten Forscher auch an neuen Perowskit-Rezepten. „Die derzeitigen hocheffizienten Zellen enthalten das giftige Blei, wofür wir bleifreie Alternativmaterialien untersuchen wollen“, sagt EPFL-Forscher Tress.