Perowskit-Solarzellen: Effiziente Solarenergie mit Hindernissen
Perowskit-Solarzellen gelten als Revolution in der Photovoltaik. Sie bieten hohe Wirkungsgrade und kostengünstige Produktionsmethoden. Doch ihre langfristige Stabilität unter realen Wetterbedingungen wirft noch Fragen auf. Eine internationale Forschungsgruppe hat sich nun intensiv mit der Thematik auseinandergesetzt.
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Dabei wurde festgestellt, dass vor allem thermische Spannungen die Lebensdauer der Zellen beeinträchtigen. Innovative Ansätze zur Stabilitätssteigerung könnten die Perowskit-Technologie jedoch zu einem entscheidenden Bestandteil der Energiewende machen.
Was sind Perowskit-Solarzellen?
Perowskite sind eine spezielle Materialklasse mit herausragenden halbleitenden Eigenschaften. Besonders Metall-Halogenid-Perowskite überzeugen mit hohen Wirkungsgraden von bis zu 27 %. Durch ihre einfache Herstellung als Dünnschicht-Solarzellen benötigen sie weniger Material als herkömmliche Siliziumzellen. Theoretisch könnten sie Solarstrom erheblich günstiger machen.
Herausforderung: Langzeitstabilität im Freien
Ein großes Hindernis für den breiten Einsatz dieser Technologie ist die Stabilität unter realen Umweltbedingungen.
Während Silizium-Solarmodule oft über 20 bis 30 Jahre hinweg konstant Energie liefern, zeigen Perowskit-Zellen noch Abbauerscheinungen über kürzere Zeiträume. Hier setzt die Forschung an.
Langfristige Stabilität: Was beeinträchtigt Perowskit-Solarzellen?
Ein umfassender Review-Artikel, veröffentlicht in Nature Reviews Materials, fasst die Erkenntnisse aus mehreren Jahren Forschung zusammen.
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Ein Team unter der Leitung von Prof. Antonio Abate und Prof. Meng Li untersuchte insbesondere die Auswirkungen von Temperaturzyklen auf die Zellstruktur.
Wie Temperaturzyklen die Zellen beeinflussen
Solarzellen im Außeneinsatz sind enormen Temperaturschwankungen ausgesetzt: In gemäßigten Klimazonen können Unterschiede zwischen Tag und Nacht erheblich sein, in Wüstenregionen sogar zwischen -40°C und +100°Cschwanken. Dies verursacht erhebliche mechanische Belastungen innerhalb der Zellstruktur.
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Um dieses Szenario zu simulieren, wurden Perowskit-Zellen im Labor noch extremeren Temperaturen ausgesetzt – von -150°C bis +150°C, wiederholt über längere Zeiträume. Das Ergebnis: Die Mikrostruktur der Perowskitschicht veränderte sich signifikant, und es kam zu Wechselwirkungen mit angrenzenden Schichten.
Der Hauptfaktor für den Leistungsverlust: Thermische Spannungen
Die Studie zeigte, dass thermische Spannungen die größte Herausforderung für Perowskit-Zellen darstellen. Diese Spannungen treten in zwei Hauptbereichen auf:
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- Innerhalb des Perowskit-Dünnfilms: Die Struktur des Materials verändert sich durch wiederholte Temperaturschwankungen.
- Zwischen den angrenzenden Schichten: Die Materialausdehnung ist unterschiedlich – Kunststoffe schrumpfen bei Erwärmung, während anorganische Materialien sich ausdehnen. Dies verschlechtert den Schichtkontakt über die Zeit.
Zusätzlich wurden lokale Phasenübergänge und Elementdiffusion in angrenzende Schichten beobachtet, die die Stabilität weiter reduzieren.
Ansätze zur Verbesserung der Stabilität
Aus den Erkenntnissen leiteten die Forschenden strategische Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer ab. Ein zentraler Punkt ist die Verbesserung der thermischen Widerstandsfähigkeit der Materialien.
Mögliche Lösungsansätze:
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- Höhere kristalline Qualität: Ein gleichmäßigeres Kristallgitter verringert strukturelle Schwächen.
- Optimierte Pufferschichten: Zwischenschichten mit angepasster thermischer Ausdehnung können Spannungen reduzieren.
- Neue Verkapselungsmethoden: Schutzschichten können die empfindliche Perowskitschicht vor Umwelteinflüssen abschirmen.
- Standardisierte Testprotokolle: Einheitliche Testmethoden könnten die Vergleichbarkeit und Entwicklung verbessern.
Die Zukunft von Perowskit-Solarzellen: Lohnt sich die Weiterentwicklung?
Trotz der Herausforderungen bieten Perowskit-Solarzellen enormes Potenzial für die Solarenergie. Ihre günstige Herstellung und hohen Wirkungsgrade machen sie zu einer vielversprechenden Alternative zu klassischen Siliziumzellen.
Mögliche Einsatzgebiete in der Zukunft
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- Kombination mit Siliziumzellen (Tandem-Solarzellen), um Wirkungsgrade über 30 % zu erreichen.
- Integration in Gebäude (gebäudeintegrierte Photovoltaik).
- Flexible, tragbare Energiequellen durch ultraleichte Solarfolien.
Fazit: Noch viel Forschung nötig, aber große Chancen
Perowskit-Solarzellen sind eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Die aktuellen Herausforderungen in der Langzeitstabilität sind nicht unüberwindbar. Mit gezielten Materialverbesserungen und standardisierten Tests könnte diese Technologie in den kommenden Jahren einen Durchbruch erleben.
FAQs zu Perowskit-Solarzellen
Wie funktionieren Perowskit-Solarzellen?
Perowskit-Zellen nutzen eine dünne Schicht aus Metall-Halogenid-Perowskiten, die Sonnenlicht effizient in elektrische Energie umwandelt. Sie sind leicht, flexibel und kostengünstig herzustellen.
Warum sind Perowskit-Solarzellen noch nicht weit verbreitet?
Obwohl sie hohe Wirkungsgrade bieten, haben sie Probleme mit der Langzeitstabilität. Vor allem Temperatur- und Feuchtigkeitsbeständigkeit sind noch nicht auf dem Niveau klassischer Silizium-Solarzellen.
Sind Perowskit-Solarzellen umweltfreundlich?
Grundsätzlich haben sie eine niedrigere CO₂-Bilanz als Siliziumzellen, da ihre Produktion weniger Energie benötigt. Einige Varianten enthalten jedoch giftige Schwermetalle wie Blei, weshalb an umweltfreundlicheren Alternativen geforscht wird.
Wie lange halten Perowskit-Solarzellen?
Aktuelle Modelle zeigen bereits Stabilitäten von mehreren Jahren, aber für einen breiten Einsatz sind Lebensdauern von über 20 Jahren notwendig. Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Verbesserung der Beständigkeit.
Können Perowskit-Solarzellen Siliziumzellen ersetzen?
Wahrscheinlicher ist eine Hybrid-Lösung, bei der Perowskit und Silizium kombiniert werden, um Tandem-Solarzellen mit über 30 % Wirkungsgrad zu ermöglichen.
Wann sind Perowskit-Solarzellen für Verbraucher erhältlich?
Einige Prototypen befinden sich bereits in der Testphase. Experten rechnen damit, dass kommerziell nutzbare Versionen in den nächsten 5–10 Jahren auf den Markt kommen könnten.