Das Aydin-Forschungsteam der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München hat eine innovative Methode vorgestellt, die die Haltbarkeit von Perowskit-Solarzellen unter starken Temperaturschwankungen verbessert. Die von Dr. Erkan Aydin, Leiter der Abteilung für Chemie und Pharmazie, geleitete Studie kombiniert zwei molekulare Techniken, um die Korngrenzstruktur im Perowskitmaterial und die Zellgrenzflächen zu stärken, mit besonderem Fokus auf die Verbesserung der Haftung zwischen der Perowskitschicht und dem Substrat. Dieser Fortschritt ermöglicht es den Solarzellen, in anspruchsvollen thermischen Zyklenumgebungen wie der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) stabil zu arbeiten. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation der Photovoltaik-Technologie und bieten Vorteile in Bezug auf Kosteneffizienz und hohe Umwandlungseffizienz, doch ihre mechanische Stabilität stellt oft eine Herausforderung dar. In Szenarien wie der niedrigen Erdumlaufbahn können die Temperaturen schnell zwischen -80 und +80 Grad Celsius schwanken, was zu ungleichmäßiger Ausdehnung und Kontraktion des Materials führt und Spannungen, Risse oder Leistungsabfall verursachen kann. Das Aydin-Team entwickelte dafür ein zweistufiges molekulares Verstärkungskonzept, das gezielt die empfindlichen Bereiche der Zelle verstärkt.
Zunächst fügten die Forschenden α-Liponsäure in die Perowskitschicht ein. Diese Moleküle polymerisierten teilweise während des Herstellungsprozesses und bildeten ein netzartiges Gefüge in den Korngrenzbereichen, was dazu beiträgt, Defekte zu reduzieren und die mechanische Stabilität zu erhöhen. Zweitens verwendete das Team speziell entwickelte Moleküle wie DMSLA (Dimethylsulfonium-Liponsäure), um die Grenzfläche zwischen der Elektrode und der Perowskitschicht zu verstärken, indem sie durch Sulfoniumgruppen starke chemische Bindungen bilden. Aydin erklärt: „Diese Moleküle wirken wie ein flexibles Verankerungsnetz, das die lichtabsorbierende Schicht mit dem Substrat verbindet, sich Temperaturänderungen anpasst und eine Delaminierung verhindert.“
Die optimierten Perowskit-Solarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von 26 %, was einer Steigerung von etwa 3 % gegenüber der Kontrollgruppe entspricht. Nach 16 thermischen Zyklen zwischen -80 und +80 Grad Celsius behielten die verbesserten Zellen 84 % ihres anfänglichen Wirkungsgrads bei, während die Referenzzellen einen deutlicheren Leistungsabfall zeigten. Die Experimente zeigten auch, dass die Dauer der thermischen Belastung einen entscheidenden Einfluss auf den Materialabbau hat, wobei der größte Teil der Schädigung in den frühen Zyklusphasen auftritt. Aydin erklärt: „Diese Arbeit zeigt, dass durch gezielte Behandlung kritischer Grenzflächen und Korngrenzen die mechanische Stabilität von Perowskit-Solarzellen effektiv verbessert werden kann, was den Fortschritt der Technologie hin zur praktischen Anwendung vorantreibt.“ Die Technologie könnte in extremen Temperaturumgebungen wie Raumfahrtmissionen, Stratosphärenplattformen und leichten Solarmodulen Anwendung finden.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Ludwig-Maximilians-Universität München; Titel: „Space-grade perovskite solar cells can survive extreme temperature fluctuations“; veröffentlicht in: „Nature Communications“ (2026); Zeitschrifteninfo: „Nature Communications“.
