Ultraleichte Solarzellen mit Rekordleistung

Linz (Österreich) - Allein von der Sonne angetrieben überquerte im Juli das Solarflugzeug Solar Impulse 2 in rund fünf Tagen den Pazifik. Dieser Rekordflug ohne Treibstoff zeigte eindrucksvoll auf, was mit sauberen Technologien möglich ist. Ultraleichte Solarzellen könnten demnach die Luftfahrt revolutionieren. Doch um Photovoltaik in der Luftfahrt alltagstauglich zu machen, bedarf es noch einiger Innovationen. Nun berichten österreichische Wissenschaftler in dem Fachjournal „Nature Materials“, dass sie eine deutlich leichtere Solarzelle aus Perowskit entwickelt haben, die relativ zu ihrer Masse extrem leistungsstark ist.

„Leistung pro Gewicht ist für die Weltumrundung der Solar Impulse 2 das entscheidende Kriterium“, erklärt das Forscherteam um Martin Kaltenbrunner von der Johannes-Kepler-Universität in Linz. Diesem Grundsatz folgend suchten die Materialforscher nach einer sehr dünnen Solarfolie mit stabilem Wirkungsgrad, die robust, flexibel und zudem erschwinglich ist. Als Kernstück ihrer nur drei millionstel Meter dünnen Solarzelle wählten sie kristallines Perowskit, ein viel versprechendes Material für die Produktion von Solarmodulen.

Eine Trägerschicht aus einem leitfähigen Polymer übernahm die Rolle der positiven Elektrode. Behandelten die Wissenschaftler dieses Polymer mit Dimethylsulfoxid, bildete die Schicht eine geeignete Unterlage für den Perowskit-Film. Dabei war es für eine maximale Stromausbeute der Solarzelle entscheidend, dass sich das Perowskit möglichst großflächig ablagerte. Mittels Rotationsbeschichtung entstand auf dem behandelten Polymer ein mehrere Quadratzentimeter großer Film. Die Forscher komplettierten die Solarzelle mit einer leitfähigen Zwischenschicht und einer Metallelektrode aus Gold oder günstigerem Kupfer.

Das Metall würde jedoch mit der leitenden Zwischenschicht reagieren, wenn die Forscher nicht eine raffinierte Lösung gefunden hätten: Sie fügten Chrom hinzu, bei dessen teilweiser Verdunstung auch Chromoxid entstand. Diese zusätzliche Komponente schützte das Metall vor Korrosion und ermöglichte gleichzeitig einen stabil hohen Wirkungsgrad der Solarzelle. Inklusive einer Schutzschicht aus Polyurethan war die fertige Solarfolie drei Mikrometer dünn. Zum Vergleich: Bei den Solarzellen der Solar Impulse 2 sind es 130 Mikrometer. Messungen der Wissenschaftler zeigten, dass ihre Module einen Wirkungsgrad von etwa zwölf Prozent erreichen. Daraus ergibt sich ein in der Photovoltaik bisher unerreichtes Verhältnis von 23 Watt Leistung pro Gramm Solarmodul. Selbst die effizientesten Düsenantriebe schaffen es nach Angaben der Forscher maximal auf 10 Watt pro Gramm.

Die ultraleichten Solarmodule könnten vielfältig eingesetzt werden. Kaltenbrunner und sein Team ließen damit bereits Testflugzeuge und kleine Luftschiffe fliegen. „Diese Versuche wurden an Winternachmittagen in Österreich bei einer schwachen Sonnenstrahlung (30 bis 40.000 Lux) durchgeführt, was die Eignung selbst in suboptimalen Lichtverhältnissen demonstriert“, berichten die Forscher. Von unbemannten Aufklärungsflugzeugen und Quadrokopter-Drohnen bis hin zu Wetterballons könnten mit der sauberen Technologie verschiedenste Fluggeräte angetrieben werden, die beispielsweise für die Umweltüberwachung unabdingbar sind. Sogar auf elastischen Grundlagen lässt sich die flexible Solarfolie anbringen. Und sie soll verhältnismäßig wenig kosten. „Alle Produktionsschritte sind kompatibel mit den üblichen Herstellungsverfahren der Halbleiterindustrie“, berichten die Wissenschaftler in ihrem Fachartikel. So könnte die Perowskit-Solartechnologie einen bedeutenden Beitrag für eine klimaneutrale Welt leisten.