Rubidium macht Perowskit-Solarzellen stabiler

Neue Materialmischung ermöglicht hohe Wirkungsgrade, die mit der Zeit nur wenig abnehmen – Wichtiger Schritt zur Massenfertigung
 Perowskit-Kristallgitter mit unterschiedlichen Kationen (Caesium & Rubidium) (künstl. Illus.)
Perowskit-Kristallgitter mit unterschiedlichen Kationen (Caesium & Rubidium) (künstl. Illus.)
© Sven M. Hein
Lausanne (Schweiz) - Stetig sinken die Preise für Solarzellen aus kristallinem Silizium auf bereits weniger als einen Euro pro Watt installierter Leistung. Noch günstiger könnten in Zukunft Solarzellen aus Perowskit-Kristallen werden, die in den Laboren bereits Wirkungsgrade von über 22 Prozent erreichten. Stellte die noch mangelnde Langzeitstabilität bislang eine große Hürde dar, fanden nun schweizerische Wissenschaftler eine Lösung für dieses Problem. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, konnten zusätzliche Rubidiumionen in der Kristallstruktur die Stabilität deutlich steigern.

„Galten Perowskit-Solarzellen bisher als instabil, konnten wir eine entscheidende Stabilisierung erreichen, die die Brücke hin zu einer Industrialisierung schlägt“, sagt Michael Saliba von der Technischen Hochschule in Lausanne. Bislang bestehen die lichtaktiven Perowskit-Kristalle bevorzugt aus Caesium, Methylammonium und Bleiiodid. Saliba und Kollegen züchteten nun Kristalle, in denen zusätzlich das Alkalimetall Rubidium in die kristalline Struktur eingebaut war. Aus diesem Material fertigten sie kleine Solarzellen verschiedener Größe und überprüften deren Eigenschaften.

Die beste Solarzelle mit Rubidium- und Caesiumanteilen zeigte einen hohen Wirkungsgrad von 21,6 Prozent bei einer elektrischen Spannung von knapp 1,2 Volt. Selbst ein größeres Exemplar mit einem halben Quadratzentimeter Fläche wandelte künstliches Sonnenlicht aus einer genormten Quelle immer noch mit einem Wirkungsgrad von 19 Prozent in photovoltaischen Strom um. Verblüffend stabil zeigte sich ein Exemplar, das die Forscher 500 Stunden lang bei hohen 85 Grad Celsius ununterbrochen beleuchteten. Nach dieser langen Zeit sank der anfängliche Wirkungsgrad von etwas mehr als 17 Prozent nur um ein Zwanzigstel ab. „Diese geringe Alterung unter voller Last überschreitet sogar gängige Industrienormen“, sagt Saliba.

So absolvierte die neue Perowskit-Solarzelle diesen anerkannten Stresstest, der eine langjährige Nutzung simulieren soll, mit Bravour. Allerdings fand dieser Versuch noch unter einer trockenen Stickstoffatmosphäre statt. Ein Mittel gegen den Zerfall der Perowskit-Kristalle bei hoher Feuchtigkeit kann der neue Ansatz noch nicht bieten. Doch in der Praxis wäre dieses Problem mit einer wasserdichten Verkapselung lösbar. Mit diesem Ergebnis rücken Perowskit-Solarzelle wieder einen Schritt näher hin zur Massenfertigung. Ein weiteres Resultat von italienischen Forschern der Politecnico di Torino zeigt ebenfalls eine Stabilisierung von Perowskit-Solarzellen, erreicht mit dem Zusatz von Fluoropolymeren.

Da bei der Produktion im Unterschied zu Silizium-Solarzellen keine aufwendigen Reinraum- und Vakuumbedingungen herrschen müssen, locken deutlich günstigere Fertigungsprozesse. Prinzipiell ließen sich Perowskit-Solarzellen auch auf großen Flächen, vergleichbar mit anderen Dünnschicht-Modulen etwa aus Cadmiumtellurid, herstellen. Mit diesen stetigen Fortschritten ist es offenbar nur noch eine Frage der Zeit, bis Perowskit-Solarzellen, entweder allein oder im Tandem mit Silizium-Modulen mit Wirkungsgraden um 30 Prozent, in ersten Pilotfabriken gefertigt werden könnten.

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