Perowskit-Solarzelle erreicht 26,25 % Wirkungsgrad und 24.000 Stunden Stabilität

Technologie lässt sich industriell skalieren

Forschende der Seoul National University, der Korea University und der University of Toledo haben eine neuartige dreidimensionale Perowskit-Solarzelle entwickelt. In Labortests erreichte sie einen Wirkungsgrad von mehr als 26 % sowie eine Lebensdauer von über 24.000 Stunden. Die in Nature Energy veröffentlichte Studie gilt als wichtiger Fortschritt für die Perowskit-Photovoltaik. Diese Technologie wird als leistungsfähigere und potenziell kostengünstigere Alternative zu Silizium-Solarmodulen betrachtet.

Das zentrale Problem solcher Solarzellen ist ihre mangelnde Stabilität: Licht, Wärme und Feuchtigkeit können sie schnell schädigen. Deshalb wird fortlaufend nach Möglichkeiten gesucht, ihre Struktur widerstandsfähiger zu machen. In der aktuellen Studie kamen zwei Materialtypen zum Einsatz – 3D- und 2D-Perowskite. Der 3D-Perowskit bildet die Hauptschicht, absorbiert Licht effizient und wandelt es in elektrische Energie um. Die dünnen 2D-Perowskit-Schichten dienen dagegen als Schutz- und Optimierungslagen. Sie werden auf oder neben dem 3D-Material angeordnet und erhöhen dessen Stabilität.

Die Forschenden entwickelten einen Aufbau, bei dem die ladungssammelnden Schichten auf beiden Seiten der aktiven Schicht liegen. Dadurch werden Energieverluste verringert, allerdings liess sich dieses Konzept bislang nur schwer dauerhaft stabil umsetzen. Abhilfe schafften 2D-Perowskite: Sie verbessern nicht nur die Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten, sondern funktionieren auch bei kurzwelligem Licht besser.

Bemerkenswert ist zudem die Beobachtung, dass bereits der unmittelbare Kontakt zwischen 2D- und 3D-Schichten die Materialeigenschaften verändert. Beim Erhitzen ordnet sich die Struktur der 3D-Schicht ausserdem zu einer stabileren und regelmässigeren Kristallform um. So entstand eine Perowskit-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 26,25 % und einer sehr hohen Stabilität von rund 24.000 Betriebsstunden in beschleunigten Tests. Für Perowskit-Technologien, die üblicherweise rasch degradieren, ist dies ein bedeutendes Ergebnis.

Ebenso wichtig ist, dass sich das Verfahren für die industrielle Fertigung skalieren lässt. Das Team untersucht nun, wie die Technologie in Tandem-Solarzellen eingesetzt werden kann, in denen mehrere Schichten kombiniert werden, um einen nochmals höheren Wirkungsgrad zu erzielen.