Perowskit-Solarzellen 27 Prozent Wirkungsgrad auch nach 1.200 Betriebsstunden stabil

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Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, die Langzeitstabilität bei Perowskit-Solarzellen auf einen Wirkungsgrad von 27 Prozent zu heben und das auch nach 1.200 geleisteten Betriebsstunden. Dabei spielt eine neuartige Fluorverbindung eine entscheidende Rolle.

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Antonio Abate hat einen entscheidenden Durchbruch für die kommerzielle Nutzung von Perowskit-Solarzellen erzielt. Durch eine Zwischenschicht-Technologie konnten die Wissenschaftler das zentrale Problem dieser vielversprechenden Photovoltaik-Technologie lösen: die mangelnde Langzeitstabilität.

Grenzflächenbeschichtung als Schlüssel zum Erfolg

Das Kernstück der Entwicklung ist eine neuartige Fluorverbindung, die zwischen die Perowskitschicht und den Buckyball-Kontakt (C60) eingebracht wird. „Wir haben eine Fluorverbindung verwendet, die zwischen die Perowskitschicht und der Buckyball-Kontaktschicht gleitet und dort einen fast monomolekularen Film bildet“, erklärt Studienleiter Dr. Abate. Die teflonartigen Moleküle bilden eine chemische Barriere, die Defekte verhindert, während der Ladungstransport ungehindert funktioniert.

Ein Großteil der experimentellen Forschung wurde vom Erstautor Guixiang Li durchgeführt, während er als Doktorand in Abates Team tätig war. Guixiang Li ist heute Professor an der Southeast University in Nanjing, China, und setzt die Zusammenarbeit fort. An der Studie waren auch Teams der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und des Imperial College London beteiligt.

Die Ergebnisse der in Nature Photonics veröffentlichten Studie sind für die Branche wegweisend:

• Wirkungsgrad: 27 %, das entspricht dem aktuellen State-of-the-Art.

• Langzeitstabilität: Kein Verlust des Wirkungsgrads nach 1.200 Stunden Dauerbetrieb.

• Thermische Beständigkeit: Stabil über 1.800 Stunden bei Temperaturen von 85 °C.

• Zyklusfestigkeit: 200 Temperaturzyklen zwischen -40 und 85 °C erfolgreich absolviert.

• Zum Vergleich: Ohne die Teflonschicht sinkt der Wirkungsgrad bereits nach 300 Stunden um 20 Prozent.

Industrielle Relevanz und Marktpotential

Die Entwicklung adressiert gezielt die invertierte (p-i-n) Zellstruktur, die sich besonders für Tandem-Anwendungen eignet - etwa in Kombination mit Siliziumzellen. Diese Architektur gilt als Schlüssel für die nächste Generation hocheffizienter Photovoltaik-Module mit Wirkungsgraden über 30 %. „1.200 Stunden entsprechen einem Jahr im Außenbereich“, betont Dr. Abate die praktische Bedeutung. Damit rücken Perowskit-Solarzellen erstmals in greifbare Nähe zur Marktreife für Langzeitanwendungen.

Der Fortschritt wird besonders deutlich im historischen Vergleich: „Damals, im Jahr 2014, lag der Wirkungsgrad bei nur 15 % und sank innerhalb weniger Stunden deutlich. Wir haben enorme Fortschritte gemacht“, sagt Dr. Abate, der die grundlegende Idee bereits während seiner Postdoc-Zeit im Labor des Perowskit-Pioniers Henry Snaith entwickelte.

Internationale Kooperation trägt Früchte

An der Studie beteiligten sich Forschungsteams aus vier Ländern: China (Southeast University Nanjing), Italien, der Schweiz (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) und Deutschland. Erstautor Guixiang Li führte die experimentellen Arbeiten während seiner Promotion in Abates Team durch und setzt die Kooperation als Professor in China fort.

Dank der Grenzflächenbeschichtung stehen Perowskit-Solarzellen vor dem Sprung in die industrielle Fertigung. Die Kombination aus hohem Wirkungsgrad, verbesserter Stabilität und kostengünstiger Herstellung macht sie zu einer attraktiven Alternative für verschiedene Anwendungsbereiche. Das reicht von gebäudeintegrierter Photovoltaik bis hin zu flexiblen Solarmodulen.

Die Forschungsergebnisse ebnen den Weg für die nächste Generation hocheffizienter und hochstabiler optoelektronischer Bauelemente auf Perowskitbasis und bringen diese vielversprechende Technologie einen entscheidenden Schritt näher zur Marktreife. (heh)

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