Robustere Perowskit-Solarzellen für extreme Temperaturschwankungen

München (ots)

• Forscher der LMU entwickeln molekulare „Stoßdämpfer“, die Solarzellen vor Schäden durch schnelle Temperaturwechsel schützen.
• Damit bleiben Solarzellen auch bei extremen Temperaturschwankungen stabil und leistungsfähig – wichtig für den Einsatz im Weltraum oder an sehr kalten oder heißen Orten auf der Erde.
• Die verbesserten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von bis zu 26 Prozent und funktionieren auch nach mehrmaligen Temperaturwechseln zwischen -80 und +80 Grad Celsius zuverlässig.

Das Team um Dr. Erkan Aydin an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hat eine neue Methode entwickelt, um Perowskit-Solarzellen robuster gegen starke Temperaturänderungen zu machen. Sie kombinierten dafür zwei molekulare Techniken, die zum Ziel haben, die Struktur des Perowskit-Materials und die Übergangsflächen in der Solarzelle zu stabilisieren. Besonders wichtig war dabei, die Verbindung zwischen der Perowskit-Schicht und dem darunterliegenden Substrat zu verbessern. So bleiben die Solarzellen auch bei den großen Temperaturschwankungen, wie sie beispielsweise in der erdnahen Umlaufbahn vorkommen, leistungsfähig. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Warum Perowskit-Solarzellen sehr interessant, aber noch empfindlich sind

Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechende Photovoltaik-Technologie der Zukunft, weil sie günstig herzustellen sind und hohe Wirkungsgrade erreichen können. Ein großes Problem ist aber, dass sie bei starken Temperaturwechseln schnell Schaden nehmen können. Materialien in den Zellen dehnen sich unterschiedlich stark aus oder ziehen sich zusammen, was zu Spannungen führt. Das kann Risse, Ablösungen oder einen Leistungsabfall verursachen.

Solche extremen Temperaturwechsel zwischen -80 und +80 Grad Celsius treten nicht nur im Labor auf, sondern auch im Weltraum. Dort werden Solarzellen auf Satelliten fast immer wiederholt sehr heiß oder sehr kalt, je nachdem, ob sie gerade in der Sonne oder im Schatten sind. Da die genauen Bedingungen von der Art des Satelliten und seiner Umlaufbahn abhängen, wählte das Forschungsteam einen Temperaturbereich, der typische Weltraumsituationen gut abbildet.

Molekulare „Stoßdämpfer“ für längere Haltbarkeit

Das Forschungsteam entwickelte deshalb eine zweistufige Methode, um die Solarzellen an besonders empfindlichen Stellen zu stärken:

• Alpha-Liponsäure wurde in die Perowskit-Schicht eingebracht. Diese Moleküle verbinden sich während der Herstellung teilweise miteinander und bilden ein Netzwerk an den Grenzen der Kristallkörner. Dadurch entstehen weniger Fehler und die mechanische Stabilität steigt.
• Für die wichtige Grenzfläche zwischen der Perowskit-Schicht und der Elektrode benutzten die Wissenschaftler spezielle Moleküle, die dort feste Bindungen eingehen. Besonders erfolgreich war dabei ein Molekül namens DMSLA (Dimethylsulfonium-Lipoic Acid), das mit seiner Sulfonium-Gruppe stark haftet.

Dr. Erkan Aydin erklärt: „Man kann sich diese Moleküle wie ein flexibles, verankertes Netz vorstellen. Sie sorgen dafür, dass die lichtabsorbierende Perowskit-Schicht fest mit dem Substrat verbunden bleibt, sodass sie sich an Temperaturänderungen anpassen kann, ohne dass es zu einer Ablösung kommt.“

Hohe Wirkungsgrade und stabile Leistung

Die verbesserten Solarzellen erreichten Wirkungsgrade von bis zu 26 Prozent, also etwa 3 Prozent mehr als unoptimierte Modelle. In Tests mit 16 Temperaturzyklen zwischen -80 und +80 Grad Celsius behielten die modifizierten Solarzellen 84 Prozent ihrer Anfangsleistung. Die Vergleichszellen ohne diese Verbesserungen verloren deutlich mehr Leistung.

Interessanterweise zeigen die Experimente, dass nicht nur die Anzahl der Temperaturwechsel wichtig ist, sondern vor allem wie lange die Solarzellen insgesamt den extremen Temperaturen ausgesetzt sind. Ein großer Teil der Materialschäden entsteht bereits in den ersten Zyklen.

Ausblick: Einsatz im Weltraum und unter extremen Bedingungen

Die Forschenden sehen in ihren Ergebnissen wichtige Fortschritte für langlebige Perowskit-Solarzellen. „Unsere Arbeit zeigt, dass man die mechanische Stabilität von Perowskit-Solarzellen gezielt verbessern kann, wenn man die kritischen Grenzflächen und Korngrenzen im Material adressiert. Damit kommen wir der praktischen Nutzung dieser Technologie einen Schritt näher“, sagt Aydin. Zudem fügt er hinzu: „Als Forschungsgruppe mit Sitz in München entwickeln wir Strategien zur Vorbereitung von Perowskit-Solarzellen für Weltraumanwendungen. Es werden weitere Arbeiten folgen, um ein tieferes Verständnis dafür zu gewinnen, wie sich unsere Zellen unter solch extremen Bedingungen verhalten.“

Diese Technologie ist besonders interessant für Anwendungen, bei denen Solarzellen starken Temperaturwechseln ausgesetzt sind – zum Beispiel in der Raumfahrt, bei Fluggeräten in der Stratosphäre oder bei besonders leichten, flexiblen Solarmodulen auf der Erde.

Publikation

Yilmaz, C., Buyruk, A., Shi, Y., Levashov, S., Li, X., Hooijer, R., Huang, J., Zhu, H., Fischer, O., Schubert, M. C., Deger, C., Yavuz, I., Ugur, E., Lubineau, G., Eichhorn, J., Zhang, F., & Aydin, E. (2026). Perovskite solar cells with enhanced thermal fatigue resistance under extreme temperature cycling. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-026-70293-7

Rückfragen

Kontakt:Dr. Erkan Aydin
Fakultät für Chemie und Pharmazie
Ludwig-Maximilians-Universität München
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Tel.: +49 89 2180-77805