Druckfähige Perowskit-Solarzellen immer stabiler

  • 17. July 2014

Wirkungsgrad eines neuen Prototyps sinkt sogar nach über 1000 Stunden nicht ab.

Erst seit wenigen Jahren fertigen Forscher Solarzellen aus Perowskit-Kristallen. Dieses Material ist viel günstiger als Silizium, Indium und Tellur. Zudem ließ sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen im kurzen Zeitraum von 2009 bis 2013 auf bisher etwa 15 Prozent vervielfachen. Allein die Langzeitstabilität machte den Entwicklern Sorgen. Dieses Problem könnte nun mit einem neuen Ansatz von chinesischen und schweizerischen Forschern gelöst werden. Sie entwickelten eine Perowskit-Solarzelle, die auch nach über 1000 Stunden nichts von ihrem Wirkungsgrad von knapp 13 Prozent einbüßte.

Perowskit-Solarzelle mit guter Stabilität: Unter dem Elektronenmikroskop (TEM) lässt sich die poröse Struktur von Titandioxid-Partikeln mit eingelagerten Perowskit-Kristallen erkennen

Abb.: Perowskit-Solarzelle mit guter Stabilität: Unter dem Elektronenmikroskop (TEM) lässt sich die poröse Struktur von Titandioxid-Partikeln mit verschiedenen eingelagerten Perowskit-Kristallen erkennen. (Bild: A. Mei et al.)

„In unserer neuen Solarzellen wirken Perowskite aus Metallhalogeniden als Lichtsammler“, sagt Hongwei Han von der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan. Zusammen mit Michael Grätzel, dem Erfinder der Farbstoffsolarzelle von der Technischen Hochschule Lausanne, konnten die chinesischen Forscher die Langlebigkeit der Perowskit-Solarzelle im Vergleich zu bisherigen Prototypen deutlich verbessern. Ein Begutachter der Veröffentlichung bezeichnete diesen Fortschritt gar als Durchbruch, durch den dieser Solarzell-Typ konkurrenzfähig zu herkömmlichen Siliziumzellen werden könnte.

Für ihren Prototyp beschichten Han und Kollegen einen Glasträger zuerst mit Mikrometer dünnen Schichten aus porösem Titandioxid und Zirkuniumdioxid. In diese Poren tropften sie eine bleihaltige Lösung versetzt mit Methyl­ammoniumiodid. In den Poren bildeten sich dabei Perowskit-Kristalle aus einem speziellen Methylammoniumbleijodid, die die Rolle eines Absorbers für einfallende Sonnenstrahlung übernahmen. Wegen des guten, fast defektfreien Kontakts dieser Perowskite mit der Titandioxid-Schicht erreichte die Solarzelle ihre erstaunlich hohen Wirkungsgrade.

Künstlichem Sonnenlicht ausgesetzt lieferte die Solarzelle Strom mit einer Spannung von 858 Millivolt. Längere Messungen zeigten einen Wirkungsgrad von 12,8 Prozent. Im Unterschied zu früheren Perowskit-Solarzellen, die nach 500 Stunden etwa ein Fünftel ihrer Stromausbeute einbüßten, stieg bei der neuen Zelle der Wirkungsgrad nach 1008 Stunden sogar noch ein wenig an. Eine wichtige Rolle spielte dabei die vorher aufgetragende Zirkoniumdioxid-Schicht, die effizient die Rekombination von solar erzeugten Elektron-Loch-Paaren verhinderte.

Erst vor einem knappen Jahr gelang es dem Team um Henry Snaith von der Oxford University, mit ihrer Perowskit-Variante einen Wirkungsgrad von 15 Prozent zu erzielen. Allerdings konnten die Briten keine hohe Langzeitstabilität ihrer Prototypen nachweisen. Dennoch zeigt diese Studie, dass sich die Stromausbeute von Perowskit-Solarzellen durchaus noch steigern ließe.

Gegenüber den effizienteren Siliziumzellen bieten Perowskit-Solarzellen neben den geringen Materialkosten einen weiteren Vorteil. „Unsere druckbaren Perowskit-Solarzellen lassen sich sogar komplett an der Luft fertigen“, sagt Hongwei Han. Ohne den Einsatz teurer Vakuumtechnik ließen sich die Produktionskosten mit großer Wahrscheinlichkeit weiter senken. Doch noch sind Perowskit-Solarzellen nicht reif für einen kommerziellen Einsatz. Dennoch schätzen Photovoltaik-Experten die möglichen Herstellungs­kosten auf etwa dreißig Cent pro Watt. Das ist weniger als die Hälfte herkömmlicher Siliziumzellen.

Bis zur Marktreife, mit der in wenigen Jahren gerechnet werden könnte, bleiben die Solarzellforscher weiter auf der Suche nach noch geeigneteren Perowskiten. Ideal wären Kristalle, die ohne das Schwermetall Blei auskämen. Denn es ist nicht auszuschließen, dass die Umwelt­anforderungen an Solarzellen in Zukunft strenger werden und giftige Blei-Anteile wohlmöglich verboten werden könnten.

Jan Oliver Löfken

DE

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