Sie suchten seit Jahren nach einer Lösung, um Solarmodule zu verbessern, und es bestand lediglich darin, ein Atom in diesem Material zu ändern.
17/09/2026 12:00
Aufgeführt am
17/09/2026 12:00
Jahrelang hat die Photovoltaiktechnologie nach Alternativen zum herkömmlichen Silizium gesucht, um die Effizienz bei der Energiegewinnung aus Sonnenlicht zu steigern. In dieser Suche hat sich die Perovskit als vielversprechendes Material des 21. Jahrhunderts erwiesen – allerdings mit einem ernsten Nachteil: ihrer Abhängigkeit von Blei oder, falls dieses nicht verfügbar ist, einer extremen Instabilität in Berührung mit Luft und Feuchtigkeit.
Ein Team von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison ist es gelungen, dieses Problem ohne den Einsatz komplexer Maschinen oder neuer synthetischer Verbindungen zu lösen. Die Lösung bestand darin, ein einzelnes Atom in der Molekülstruktur der Stannium-Perovskit zu ersetzen. Eine kleine Änderung, die eine schnellere Einführung saubererer, effizienterer und langlebigerer Solarenergieanlagen verspricht.
Die Herausforderung, Blei in Perovskit-Zellen zu beseitigen
Perovskit ist ein hybrides Material, das organische und anorganische Bestandteile in einer sehr effektiven Kristallstruktur kombiniert, um Sonnenlicht einzufangen und in Elektrizität umzuwandeln. Allerdings verwenden die leistungsstärkeren Versionen Blei – ein toxisches Schwermetall, das erhebliche Bedenken hinsichtlich des Umweltauswirkungen und der Nachhaltigkeit am Ende der Lebensdauer der Solarmodule aufwirft.
Zur Vermeidung des Einsatzes von Blei richtete die Industrie ihren Fokus auf Zinnperovskite. Obwohl Zinn eine ökologische und chemisch ähnliche Alternative darstellt, stellte seine schnelle Oxidation bei Kontakt mit den alltäglichen Umweltbedingungen ein erhebliches Problem dar. Sobald das Material mit Sauerstoff oder Luftfeuchtigkeit in Berührung kam, zerfiel seine Struktur innerhalb weniger Stunden und verlor fast vollständig die Fähigkeit, Strom zu erzeugen.
Einen einzigen Atom ersetzen, um die Struktur zu schützen
Anstatt wie üblich äußere Schutzschichten oder komplexe Abdichtungen um die Zellen anzubringen, ging die Forschungsgruppe das Problem von der Mikroarchitektur des Stoffes selbst aus. Dabei war es nicht notwendig, ein neues Material zu synthetisieren, sondern lediglich ein Fluoratom durch ein Chloratom in der organischen Molekülstruktur zu ersetzen, die das kristalline Netz der Perovskit-Struktur bildet.
Diese Modifikation veränderte die Art und Weise, wie sich die Kristalle miteinander verbinden. Durch das Einfügen von Chlor nahmen sie eine viel kompaktere und geordnetere Anordnung an, wodurch die mikroskopischen Hohlräume beseitigt wurden, durch die zuvor Luft und Feuchtigkeit eindringen konnten. Infolgedessen fungierte die Struktur des Materials selbst als natürliche Barriere gegen äußere Einflüsse, ohne den Elektronentransport zu beeinträchtigen.
Bemerkenswerte Effizienz und Stabilität
Die Ergebnisse der Veränderung auf atomarer Ebene sind für die Entwicklung von Solarenergie der dritten Generation von großer Bedeutung. Die entwickelten Zellen erreichten eine Umwandlungsleistung von 16,2 %, ein relevanter Wert für auf Bleifreiem Zinn basierende Geräte.
Neben dem Wert der sofortigen Leistung liegt der Schlüssel in der Langlebigkeit dieser Zellen. Bei Laborprüfungen in trockener Luft behielten die Geräte nach 1.600 Betriebsstunden, was etwa 67 Tagen entspricht, mehr als 95 % ihrer anfänglichen Leistung bei. Unter kontinuierlichem Betriebsstress, mit simuliertem Sonnenlicht und einer Temperaturerhöhung auf bis zu 55 °C, behielt das Material nach 1.000 Stunden ununterbrochener Nutzung noch etwa 80 % seiner Kapazität.
Die Verbesserung der Stabilität von bleifreien Perowskiten eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Erneuerbaren Energien. Stabilere, effizientere Solarmodule ohne Schwermetalle ermöglichen eine nachhaltigere Integration in Ladeinfrastrukturen, Dächer von Wohnhäusern und sogar die mögliche Verwendung auf den Karosserien von Elektrofahrzeugen.