Immer mehr Länder setzen auf Sonne statt Kohle oder Gas, um CO₂-Emissionen zu senken und das Klima zu schützen. Um die wachsende Nachfrage zu decken, braucht es mehr Solarmodule sowie besonders effiziente und langlebige Technik, die unter realen Wetterbedingungen zuverlässig Strom liefert. Perowskit-Solarzellen beispielsweise bestehen aus speziellen kristallinen Materialien, die Sonnenlicht besonders effizient in Strom umwandeln, sind aber bislang noch nicht robust genug, um Temperaturschwankungen auf Dächern dauerhaft zu überstehen.
Doch welche Mechanismen lassen die Perowskit-Zellen beim Einsatz unter Sonne, Hitze und Frost überhaupt zu Schaden kommen? Und was kann man dagegen tun? Dieser Frage hat sich nun ein Forschungsteam um Kun Sun von der Technischen Universität München in gleich zwei Studien angenommen.
Atmendes Material
Die Forschenden konzentrierten sich auf die oberen Schichten sogenannter Tandem-Solarzellen – spezielle Solarmodule, bei denen Perowskit-Solarzellen über klassischen Silizium-Solarzellen liegen. Die obere Schicht fängt besonders Licht im kurzwelligeren blauen Spektralbereich ein, während die darunterliegende Silizium-Zelle vorwiegend langwelligere rote und infrarote Anteile des Sonnenlichts nutzt. So wird das Sonnenlicht effizienter ausgenutzt und es kann mehr Strom erzeugt werden als mit herkömmlichen Solarmodulen.
Um herauszufinden, warum die Zellen bei Temperaturschwankungen an Leistung verlieren, beobachteten die Forschenden mithilfe von Röntgenmessungen, wie sich das Kristallgitter der oberen Schicht bei schnellen Wechseln von Hitze und Kälte verhält. Dies zeigte, dass sich das Perowskit ausdehnt und wieder zusammenzieht – fast so, als würde das Material „atmen“. Diese Bewegungen erzeugen mikroskopische Spannungen, die langfristig die Leistung der Zellen verringern.
Die Burn-in-Phase – ein schwacher Start
Das Besondere an der Entdeckung: Der größte Teil der Leistungsabnahme passiert gleich zu Beginn – die Zellen verlieren beim „Einlaufen“, auch Burn-in Phase genannt, bis zu 60 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. „Wir konnten zeigen, dass eine Art mikroskopisches Tauziehen diesen Verlust auslöst“, erklärt Sun. „Im Inneren des Materials entstehen Spannungen und seine Struktur verändert sich. Das kostet Leistung.“
Doch wie lässt sich verhindern, dass das Material durch diese ständige Belastung buchstäblich auseinanderfällt? In einer zweiten Studie verglichen die Forschenden daher spezielle organische Moleküle, die als Abstandshalter wirken und das Kristallgitter wie ein molekulares Gerüst zusammenhalten. Dabei zeigte sich: Einige Kandidaten stabilisierten das Material nur wenig, ein voluminöseres Molekül namens PDMA sorgte hingegen dafür, dass die Solarzellen selbst bei schnellen Temperaturwechseln stabil blieben.
