Die Perowskit-Technologie bestanden eine entscheidende Prüfung: 1.000 Stunden Hitze und Feuchtigkeit mit nur 5 Prozent Leistungsverlust.

Pervskit-Solarzellen haben viele Vorteile, um sich in der Photovoltaik durchzusetzen: eine hohe Fähigkeit, Licht in Elektrizität umzuwandeln, Möglichkeiten zur kostengünstigen Herstellung sowie ein leichtes Design. Doch es gibt eine Frage, die ihre Zukunft weiterhin beeinflusst: Wie lange können sie diese Leistungen aufrechterhalten, wenn sie das Labor verlassen und Hitze sowie Feuchtigkeit ausgesetzt sind?

Forscher des südkoreanischen Instituts für Energieforschung KIER in Zusammenarbeit mit der Universität UNIST haben einen Fortschritt vorgestellt, der genau auf diese Schwachstelle abzielt. Ihr Vorschlag ändert den Herstellungsprozess, um Komponenten zu entfernen, die zwar zunächst zur Funktionsfähigkeit der Zelle beitragen, diese aber später schneller verschlechtern können.

Das Ergebnis sind Zellen, die nach 1.000 Stunden bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit zu 95 % ihrer ursprünglichen Effizienz beibehalten. Die in Advanced Science veröffentlichte Studie gibt an, dass die Prüfung mit eingekapselten Geräten durchgeführt wurde, d.h. mit Schutz vor den Umweltbedingungen. Dies ist eine wichtige Angabe, um den Umfang des Tests richtig einzuordnen. Wiley Online Library

Dieses 95 % bedeutet auch nicht, dass sie fast das gesamte empfangene Licht in Elektrizität umwandeln. Es gibt an, wie viel Leistung sie im Vergleich zum Beginn des Tests beibehalten. Die maximale Umwandlungsleistung mit dem neuen Verfahren lag bei 25,24 %, im Vergleich zu 25,21 % bei den Referenzzellen, die mit herkömmlichen Methoden und Zusatzstoffen hergestellt wurden. Der Unterschied ist gering: Interessant ist es, die Widerstandsfähigkeit zu verbessern, ohne auf die Effizienz zu verzichten.

Entfernung des verbleibenden Lithiums zur Verringerung der Degradation

Die Forschung konzentriert sich auf die sogenannte Lückentransportsschicht, einen der Bestandteile, die es ermöglichen, die bei Lichtaufprall auf die Zelle erzeugten elektrischen Ladungen abzuführen. In bestimmten Perovskit-Architekturen verwendet diese Schicht Lithiumsalze sowie Zusatzstoffe, um ihre elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Das Problem ist jedoch, dass einige dieser Stoffe ebenfalls zur Verringerung ihrer Stabilität beitragen.

Wenn die Temperatur und Feuchtigkeit steigen, können Zusatzstoffe verdampfen und kleine Lücken in der Schicht hinterlassen. Diese Defekte beeinträchtigen den Kontakt zwischen den Schichten und begünstigen einen Rückgang der Leistungseigenschaften. Zudem können Lithiumionen in das Innere des Geräts wandern und zusätzliche Schäden verursachen. Was ursprünglich zu einem guten Ergebnis beiträgt, wird schließlich zu einem Problem hinsichtlich der Langlebigkeit.

Die Lösung des Teams besteht darin, die während der Mischzubereitung notwendigen Reaktionen auszunutzen und anschließend die kompromittierenden Bestandteile zu entfernen. Dazu wird Nickeloxid, NiOx, als Katalysator eingesetzt, das dazu dient, die in der zur Herstellung dieser Schicht verwendeten Lösung enthaltenen Lithiumionen zu binden.

Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, durchläuft die Mischung ein Filterverfahren. Die Nickeloxid-Partikel bleiben zusammen mit den daran gebundenen Lithiumionen zurück. Auf diese Weise erfüllt der Katalysator seine Funktion während der Vorbereitung, wird aber vor der Bildung der endgültigen Schicht entfernt. Die Methode ermöglicht außerdem, auf das in herkömmlichen Formulierungen verwendete Additiv tBP zu verzichten.

Die Idee ist interessant, da sie die Ursache eines Teils der Degradation anspricht. Neben dem Schutz der Zelle vor äußeren Einflüssen durch Encapsulation soll auch ihre eigene Zusammensetzung stabiler gemacht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, diese Bestandteile zu entfernen, ohne die Fähigkeit zur Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität zu opfern.

Für die Forscher könnte dieser Fortschritt auch bei Tandem-Solarzellen nützlich sein, bei denen Materialien übereinandergelegt werden, um verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums zu nutzen. Perovskite bieten in solchen Konfigurationen Möglichkeiten, doch eine erhöhte Stromerzeugung hat nur geringen wirtschaftlichen Wert, wenn dieses Vorteil durch Degradation zu früh verschwindet.

Allerdings bedeutet das Bestehen eines Tests unter Hitze und Feuchtigkeit nicht, dass eine Solarmembran jahrzehntelang zuverlässig auf einem Dach funktioniert. Die 1.000 Stunden stellen lediglich einen Widerstandstest unter bestimmten Bedingungen dar und können nicht direkt in Jahre der Nutzungsdauer umgerechnet werden. Zudem muss noch geprüft werden, wie dieser Prozess auf Module mit größerer Fläche sowie auf wettbewerbsfähige industrielle Fertigungsmethoden übertragen werden kann.

Das Ergebnis deutet auf eine Verbesserung hin, die die Perovskit-Solarmembran genauso benötigt wie Rekordwerte in Bezug auf die Effizienz – nämlich die Erhaltung ihrer Leistungseigenschaften. Für diejenigen, die Solarmodule installieren, ist der Wert am Anfang wichtig; noch wichtiger ist jedoch die Elektrizität, die sie viele Jahre später weiterhin erzeugen können.

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