32,5 Prozent Wirkungsgrad Wie stabil Perowskit-Solarzellen im Einsatz sind

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Silizium-Solarzellen stoßen physikalisch an ihre Grenzen. Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat nun mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von 32,5 Prozent einen neuen Weltrekord für Perowskit-Silizium-Tandemzellen aufgestellt. Doch für den industriellen Einsatz zählt mehr als nur die reine Power: Die Prognosen zur Langzeitstabilität rücken in den Fokus.

In der Photovoltaik-Forschung ist die 30-Prozent-Marke eine magische Grenze. Während konventionelle Silizium-Solarzellen bei theoretischen 29,4 Prozent stagnieren, zeigt die Kombination mit Perowskit, was technologisch möglich ist. Den Forschern des Helmholtz-Zentrums Berlin ist es gelungen, die Effizienz auf 32,5 Prozent zu steigern. Der Wert zeigt, dass die Tandem-Technologie das Potenzial hat, den Solarmarkt grundlegend zu verändern.

Das Geheimnis hinter dem Rekord

Der Sprung auf über 32 Prozent des Wirkungsgrads gelang durch eine gezielte Modifikation der Grenzflächen zwischen den Halbleiterschichten. In einer Tandem-Zelle werden zwei unterschiedliche Absorber kombiniert:

• Silizium bildet die Unterzelle und wandelt vor allem den langwelligen, roten und infraroten Lichtanteil effizient um.

• Perowskit wird als Top-Schicht aufgebracht. Dieses Material besitzt eine einstellbare Bandlücke und wird so optimiert, dass es den energiereichen, kurzwelligen blauen Anteil des Sonnenlichts erntet.

Das Problem dabei liegt an den Kontaktstellen zwischen diesen Schichten. Hier gehen oft Ladungsträger verloren. Das HZB-Team entwickelte eine spezielle Zwischenschicht, die diese Rekombinationsverluste minimiert und so die elektrische Spannung der Zelle maximiert.

Wie stabil ist Perowskit?

Für Hardware-Entwickler und Investoren ist der Wirkungsgrad nur die halbe Miete. Die größte Herausforderung bleibt die Langzeitstabilität. Während Silizium-Module problemlos 25 bis 30 Jahre im Feld überstehen, reagieren Perowskit-Kristalle empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff und Wärme.

Um die Belastbarkeit zu prüfen, verglich das HZB-Team im Rahmen der Studie natürlich gealterte mit künstlich gealterten Proben. Die Zellen wurden dafür im Berliner Freiluftlabor über 20 Monate lang Wind und Wetter ausgesetzt. Dabei identifizierten die Forscher drei zentrale Degradationsmechanismen: die Phasensegregation (Veränderung der Materialzusammensetzung in mikrometergroßen Domänen), Kupferkorrosion sowie Defekte im Randmuster der Zellen.

Ein wichtiges Ergebnis für die Qualitätssicherung

Klassische Stresstests bei 65 bis 85 °C, wie sie für Silizium üblich sind, eignen sich für Perowskite nur bedingt. Sie lösen zusätzliche Alterungsprozesse aus, die im realen Außeneinsatz gar nicht vorkommen. Die Forscher setzen daher auf alternative Beschleunigungsmethoden, um die tatsächlichen Mechanismen, wie beispielsweise die Phasensegregation, im Labor präzise zu reproduzieren.

Dennoch werden die Prognosen optimistischer. Aktuelle Tests zeigen, dass durch das sogenannte Interface-Engineering nicht nur die Effizienz steigt, sondern auch die strukturelle Stabilität des Perowskit-Gitters verbessert wird. Durch spezielle organische Moleküle werden die empfindlichen Schichten versiegelt. Experten gehen davon aus, dass Tandem-Zellen in naher Zukunft Stabilitätswerte erreichen können, die einen industriellen Einsatz rechtfertigen. Das setzt allerdings voraus, dass die Kapselungstechnologien (Encapsulation) mit der Zellentwicklung Schritt halten. Ziel sollte es sein, die strengen IEC-Normen zu erfüllen.

Warum die Industrie auf Tandem setzt

Der technologische Aufwand lohnt sich, da Perowskite einige Vorteile bieten:

• Die Schichten sind etwa 1.000-mal dünner als Silizium-Wafer.

• Perowskite können bei niedrigen Temperaturen verarbeitet werden, was die energetische Amortisationszeit der Module verkürzt.

• Mehr Watt pro Kilogramm, was ideal für Anwendungen ist, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt.

Der Rekordwert des HZB beweist, dass die Physik auf der Seite der Tandem-Technologie steht. Wenn es gelingt, die Stabilitätsprognosen aus den Laboren in reale Werte für den Einsatz im Freien zu übersetzen, steht die Photovoltaik vor einem Paradigmenwechsel. (heh)

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