Perowskit-Solarzelle aus Berlin: 27,3 Prozent Effizienz und 770 Stunden stabil
Forscher präsentieren eine neuartige Perowskit-Solarzelle, die durch eine Graphenoxid-Doppelschicht stabilisiert wird.
(Bild: Laura Canil / HZB)
Berliner Forscher lösen das Stabilitätsproblem von Perowskit-Dreifachzellen mit einer Graphenoxid-Doppelschicht.
Das physikalische Potenzial von Silizium-Solarzellen ist fast ausgeschöpft: Inzwischen nähern sie sich ihrem maximalen Wirkungsgrad von 29 Prozent an. Zumindest im Labor erreichten sie schon einen Wirkungsgrad von über 28 Prozent. In der Praxis erreichen allerdings selbst Premium-Module selten mehr als 24 Prozent.
Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) um Steve Albrecht setzt deshalb auf eine komplett andere Architektur: eine monolithische Dreifachsolarzelle, die ausschließlich aus Perowskit-Halbleitern besteht.
Wie das HZB in einer aktuellen Mitteilung berichtet, erreicht die Zelle einen Wirkungsgrad von 27,3 Prozent – einen der höchsten je gemessenen Werte für diese Technologie. Die Ergebnisse erschienen am 9. Juli in der Fachzeitschrift Joule.
Die Besonderheit des Systems liegt nicht allein in der Effizienz. Bisherige Perowskit-Mehrfachzellen zerfielen unter Dauerlast rasch, weil die übliche Lochtransportschicht aus dem Polymer PEDOT:PSS Licht schluckt und sich schnell zersetzt. Genau hier griff das HZB-Team ein.
Graphenoxid als chemischer Schutzschild
Drei Perowskit-Absorber mit unterschiedlichen Bandlücken liegen in der Zelle übereinander und jeder fängt einen anderen Bereich des Sonnenspektrums ein. „Das kann man sich wie einen Big Mac vorstellen, bei dem die drei Brötchen jeweils durch unterschiedliche Beläge getrennt sind“, erklärte Albrecht.
Entscheidend ist der „Belag“ zwischen mittlerer und unterer Teilzelle: Hier sitzt ein Zinn-Blei-Perowskit mit niedriger Bandlücke, der besonders oxidationsanfällig ist.
Das Team ersetzte PEDOT:PSS durch eine Doppelschicht aus Graphenoxid (GO) und einer selbstorganisierten Monoschicht (SAM) – ultradünne organische Moleküle, die sich von selbst zu einer geordneten Lage anordnen.
SAMs allein versagten zunächst beim Ladungstransport. Erst eine hauchdünne GO-Lage darunter verbesserte die Grenzfläche morphologisch und elektronisch so weit, dass die optischen Verluste drastisch sanken.
770 Stunden Dauerbetrieb ohne nennenswerten Leistungsverlust
Im Labortest behielt die GO/SAM-Zelle nach 770 Stunden Dauerbetrieb über 90 Prozent ihres ursprünglichen Wirkungsgrads, was ein Rekord bei der Stabilität für diese Architektur ist.
Die Doppelschicht wirkt als luftdichter Schutzschild, der den empfindlichen Zinn-Blei-Absorber vor Sauerstoff und Feuchtigkeit abschirmt.
„Unsere Analysen deuten darauf hin, dass sich mit dieser Architektur die Effizienz auf über 30 % steigern lässt, wenn wir die Qualität der einzelnen Perowskitschichten und Verbindungsschichten noch weiter verbessern“, so Albrecht.
Vom Labor aufs Dach ist es noch weit
770 Stunden entsprechen gut einem Monat Betrieb. Handelsübliche Siliziummodule halten dagegen 25 bis 30 Jahre.
Bis Perowskit-Dreifachzellen auf Hausdächern oder Fassaden landen, fehlen Langzeittests unter realen Wetterbedingungen sowie IEC-Zertifizierungen.
Doch das Potenzial ist erheblich: Perowskite sind leicht, günstig und lassen sich auf flexible Substrate drucken, etwa für Gebäudefassaden oder IoT-Sensoren.
Wie vielseitig der Werkstoff bereits eingesetzt wird, zeigt sich auch bei Indoor-Perowskit-Zellen, die Wegwerf-Batterien in Geräten überflüssig machen könnten.
Europäische Institute wie das HZB, das Fraunhofer ISE und das KIT halten bei der Perowskit-Forschung weltweit zentrale Patente. Da rund 95 Prozent der Silizium-Wafer-Produktion in China liegen, könnte die Technologie Europa eine industrielle Unabhängigkeit in der Solarbranche eröffnen.