de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Hongkonger Polytechnischen Universität (PolyU) hat eine neuartige Perowskit-Organik-Tandem-Solarzelle entwickelt, die auch bei teilweiser Abschattung eine stabile Leistung beibehält. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
Die Studie zeigt, dass diese Dünnschichtsolarzelle nach einer Sperrspannung von bis zu minus 40 Volt noch über 90 % ihrer ursprünglichen Effizienz behält. Normalerweise würde eine solche Sperrspannung Standard-Dünnschichtsolarzellen schädigen. Wenn Bäume, Wolken, Gebäude oder Vögel das Sonnenlicht abschatten, können Solarpaneele einer Sperrspannungsbelastung ausgesetzt sein. Diese negative Spannung verringert die elektrische Leistung und kann Dünnschichtsolarzellen dauerhaft schädigen. Das PolyU-Team gibt an, dass das neue Design widerstandsfähiger gegen dieses Problem ist und die Technologie näher an die praktische Anwendung bringt.
Dünnschichtsolarzellentechnologien wie Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, Perowskit und organische Solarzellen sind aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer Flexibilität und niedrigen Herstellungskosten weit verbreitet. Wenn die Paneele jedoch teilweise abgeschattet werden, erzeugen die abgeschatteten Zellen eine negative Spannung, die das Material belastet. Diese Solarzellen transportieren gleichzeitig Elektronen und Ionen. Ein längerer Zustand der Sperrspannung verringert die Leistung und führt schließlich zu Schäden. Das Team fand heraus, dass die Schäden auf Defekte zurückzuführen sind, die als tiefe Haftstellen (deep trap states) bezeichnet werden und in der stromerzeugenden Schicht – dem Volumen-Heteroübergang (bulk heterojunction) – auftreten. Diese Defekte fangen Ladungen ein, verringern die Effizienz und führen während des Sperrspannungsbetriebs eher zu dauerhaften Schäden.
Um dieses Problem zu lösen, unterdrückten die Forscher isolierte Akzeptor-Cluster (isolated acceptor clusters) in der Donor-Akzeptor-Mischzone der Solarzelle, reduzierten die Anzahl der tiefen Haftstellen und machten die Bauelemente haltbarer. Die neuartigen organischen Solarzellen können eine Durchbruchspannung von über minus 35 Volt aushalten und setzen damit neue Maßstäbe für die Stabilität und Effizienz organischer Solarzellen.
Die Forschung zeigt auch, dass die verbesserte organische Solarzelle die Perowskitschicht in n-i-p-anorganischen Perowskit-Organik-Tandem-Solarzellen schützen kann, indem sie den Rückwärtstunnelstrom (reverse tunneling) blockiert und so Bauelementschäden während der Abschattung verhindert. Selbst nach einer Belastung mit minus 40 Volt behielt die Tandemsolarzelle über 90 % ihrer ursprünglichen Effizienz. Nach 12-stündigem Betrieb bei minus 20 Volt behielten die Bauelemente 90 % ihrer anfänglichen Effizienz; nach 2000 Stunden (etwa 83 Tagen) Betrieb bei minus 4,5 Volt behielten sie 97 % ihrer Effizienz. Die Forscher geben an, dass diese Ergebnisse besser sind als das, was aktuelle Dünnschichtsolarzellentechnologien erreichen können.
Professor Li Gang, Inhaber des Lehrstuhls für Energiewandlungstechnologie an der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik der Hongkonger Polytechnischen Universität, erklärte, dass das Team bedeutende Fortschritte bei der Stabilität organischer Solarzellen und Perowskit-Organik-Tandem-Solarzellen unter herausfordernden Sperrspannungsbedingungen erzielt habe und einen bahnbrechenden Beitrag zum Verständnis des Bauelementbetriebs und der Haltbarkeit leiste. Diese neue Arbeit baut auf früheren Forschungen des Teams auf, die 2025 in Nature Energy veröffentlicht wurden. In jener Studie entwickelten sie n-i-p-anorganische Perowskit-Organik-Tandem-Solarzellen mit einer Leistungsumwandlungseffizienz von 25,9 %, die durch Bodenkontaktmodulation unabhängig mit 25,1 % zertifiziert wurde. In dieser neuen Studie übersteigt die Leistungsumwandlungseffizienz der Tandemsolarzelle 26 % und weist eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Sperrspannungsbelastung auf, was die Technologie näher an den Einsatz in realen Solarmodulen bringt.
