Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechend für günstigeren und effizienteren Solarstrom. Doch sie reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen, was ihren Einsatz auf Dächern bisher ausbremst. Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Exzellenzclusters e-conversion hat gemeinsam mit Partnern vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) und vom KTH Royal Institute of Technology in Stockholm die mikroskopischen Mechanismen aufgedeckt, die das Material altern lassen.
Kristallgitter atmet bei Temperaturwechseln
In einer in Nature Communications veröffentlichten Studie untersuchte Erstautor Kun Sun vom TUM-Lehrstuhl für Funktionelle Materialien sogenannte Wide-Bandgap-Zellen – die oberen Zellen in Tandem-Solarzellen. Mithilfe hochauflösender Röntgenmessungen am DESY beobachtete das Team in Echtzeit, wie sich das Kristallgitter bei schnellen Temperaturänderungen periodisch ausdehnt und zusammenzieht.
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Die Degradation tritt demnach in einer anfänglichen „Burn-in"-Phase auf, in der die Zellen bis zu 60 Prozent ihrer relativen Leistungsfähigkeit verlieren. „Wir konnten zeigen, dass eine Art mikroskopisches Tauziehen diesen Verlust auslöst", erklärt Wissenschaftler Sun. „Im Inneren des Materials entstehen Spannungen und seine Struktur verändert sich – und das kostet Leistung."
Molekularer Anker stabilisiert die Kristallstruktur
In einer zweiten Studie, veröffentlicht in ACS Energy Letters, zeigen die Forschenden einen Lösungsansatz. Sie verwenden spezielle organische Moleküle als Abstandshalter, die die Kristallstruktur wie ein Anker zusammenhalten. Beim Vergleich verschiedener Kandidaten erwies sich das Molekül PDMA als beste Option: Es entstand eine deutlich robustere Solarzelle, die selbst unter dem Stress schneller Erwärmung und Abkühlung stabil bleibt.
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„Wenn wir diese Zellen auf unseren Dächern sehen wollen, müssen wir sicherstellen, dass sie nicht nur im Labor funktionieren, sondern auch den jahreszeitlichen Belastungen trotzen", sagt Peter Müller-Buschbaum, Leiter des Lehrstuhls für Funktionelle Materialien an der TUM. „Indem wir die mikroskopischen Mechanismen verstehen, ebnen wir den Weg für eine neue Generation von Solarmodulen, die sowohl hocheffizient als auch robust genug für Jahrzehnte im Außeneinsatz sind.“ (nhp)
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