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Perowskit-Solarzellen sind eine kostengünstige Alternative zu Halbleitern und erzielen gleichzeitig einen ähnlichen Wirkungsgrad wie Siliziumzellen. Sie bestehen aus den namensgebenden Perowskiten – natürlich vorkommenden Mineralien aus der Gruppe der Titanate. Der flächendeckende Einsatz an Gebäuden blieb bislang aus, unter anderem weil die Leistungsfähigkeit der kristallinen Struktur bei wechselndem Wetter kontinuierlich abnahm. Nun hat ein Forschungsteam der TU München und des Exzellenzclusters e-conversion gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dem Deutschen Elektronen-Synchroton (DESY) und dem KTH Royal Institute of Technology Stockholm den Ursprung für diesen Mechanismus entschlüsselt und eine Anpassung der chemischen Grundstruktur vorgeschlagen, die die Lebensdauer der Perowskit-Zellen verlängern soll. 

Solarmodule sind an ihrem Einsatzort unvermeidbar den thermischen Zyklen ausgesetzt. Innerhalb eines Tages kann die Temperatur zwischen Frost und extremer Sonnenhitze changieren. Obwohl Perowskit mustergültige Laborwerte erzielt, scheiterte es bisher an diesen realen Bedingungen, denn der ständige Wechsel führt zu einer Materialdegradation – einer frühzeitigen Alterung – wodurch ein beachtlicher Teil der relativen Leistungsfähigkeit verloren geht. „Wenn wir diese Zellen auf unseren Dächern sehen wollen, müssen wir sicherstellen, dass sie nicht nur im Labor funktionieren“, so Prof. Peter Müller-Buschbaum, Leiter des Lehrstuhls für Funktionelle Materialien an der TUM School of Natural Sciences und Mitglied des Exzellenzclusters. Parallel zu den Analyseergebnissen publizierte das internationale Forschungsteam auch gleich einen Lösungsansatz. Das Ziel: Einen „molekularen Anker“ zu entwickeln, der die fragile Struktur stabilisiert. Untersucht wurden Tandem-Solarzellen, die aus mindestens zwei gestapelten Einzelzellen bestehen und somit unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichts nutzen.

Interessant für die Studie war vor allem die obere Schicht, die aus sogenannten Wide-Bandgap-Zellen besteht. Am DESY beobachteten die Forschenden mittels hochauflösender Röntgenmessungen in Echtzeit, wie sich das Kristallgitter bei schnellen Temperaturwechseln ausdehnt und wieder zusammenzieht. Dabei zeigte sich: Der Leistungsverlust entsteht vor allem in einer anfänglichen „Burn-in“-Phase, in der die Zellen bis zu 60 Prozent ihrer relativen Leistungsfähigkeit einbüßen können. Auslöser ist eine Art mikroskopisches Tauziehen im Material, das innere Spannungen erzeugt und die Struktur verändert. In der Folgestudie verglich das Team verschiedene organische Abstandshalter, die das Kristallmaterial wie ein molekulares Gerüst zusammenhalten sollen. Als besonders wirksam erwies sich das voluminöse Molekül PDMA. Es soll die Struktur auch unter dem mechanischen Druck schneller Erwärmung und Abkühlung stabilisieren. Damit rückt laut Müller-Buschbaum eine neue Generation von Tandem-Solarmodulen näher, die hohe Effizienz mit der nötigen Robustheit für jahrzehntelangen Außeneinsatz verbindet.

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