Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der Jahreszeit

Auf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.

Kleine Perowskit-Solarzellen im Labormaßstab erreichen unter Standardtestbedingungen mittlerweile einen Wirkungsgrad von bis zu 26,95 %. Sie sind einfach herzustellen und preisgünstig und erste Solarzellen auf Perowskit-Basis sind bereits auf dem Markt. Umso wichtiger ist es, das langfristige Verhalten solcher Perowskit-Solarzellen im Außeneinsatz zu verstehen, damit sich Energieerträge und Lebensdauern noch besser vorhersagen lassen.

Am HZB hat Dr. Carolin Ulbrich mit ihrem Team unterstützt vom Helmholtz-Gemeinschaft-finanzierten Projekt TAPAS mit der Uni Ljubljana eine große Teststation im Freien eingerichtet: Auf dem Dach stehen Gestelle, die mit Solarzellen und Messtechnik bestückt sind. Sie sind das ganze Jahr über Wind und Wetter ausgesetzt. Messdaten aus den vergangenen vier Jahren von kleinen, in Glas verkapselten Perowskit-Solarzellen liegen nun vor. Die Zellen wurden am HZB im Team von Eva Unger hergestellt (Details zum Aufbau: ITO | 2PACz | Cs_0,15FA_0,85PbI_2,55Br_0,45 (Bandlücke von 1,65 eV) | C₆₀ | SnO₂ | Cu. ).

Die Ergebnisse sind ermutigend: In den ersten beiden Sommern blieb die Spitzenleistung nahezu gleich, zwischen dem ersten und vierten Sommer ging die Effizienz absolut nur um etwa 2 % zurück. Allerdings sank die Effizienz in den Wintermonaten um circa 30 %.

Das Team fand dafür mehrere Ursachen. So verändert sich in höheren Breitengraden (also am Standort Berlin) die Spektralverteilung des Sonnenlichts, mit mehr „blauen“ Anteilen im Sommer und mehr „roten“ Anteilen im Winter. Perowskit-Solarzellen können jedoch vor allem die blauen Anteile des Lichts in elektrische Energie umwandeln. In Standorten, die näher am Äquator liegen, sind diese Spektralverschiebungen geringer ausgeprägt, so dass dort Perowskit-Solarzellen vermutlich im Jahresverlauf einen konstanteren Ertrag bringen können. „Was Perowskit-Solarzellen von ausgereifteren PV-Technologien unterscheidet, ist, dass sie ihren Wirkungsgrad im Tages-Nacht-Zyklus oft reversibel verändern; diese Eigenschaft trägt wesentlich zu den beobachteten starken saisonalen Schwankungen bei“, sagt Mark Khenkin.

Die Auswertung der Daten erfolgte durch den Doktoranden Marko Remec. Mit dieser bislang längsten Testreihe hat das Team einen wichtigen Beitrag geleistet, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu beschreiben und zu verstehen, wie es durch äußere Faktoren beeinflusst wird.