Perowskit-Solarzellen: Prognosen zur Langzeitstabilität
Das HZB-Team betreibt am HZB ein Freiluftlabor, wo ganz verschiedene Solarzellen unter realen Bedingungen Monate oder Jahre lang Wind und Wetter ausgesetzt sind. © Industriefotografie Steinbach/ HZB
Der wichtigste Degradationsmechanismus, der bei natürlicher Alterung beobachtet wurde, ist eine Phasensegregation (links), bei der sich die Zusammensetzung des Perowskit-Materials verändert, so dass sich sich kreisförmige Domänen mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern bilden. Die beiden anderen Mechanismen sind Kupferkorrosion (Mitte) und Randmuster (rechts), die in erster Linie mit dem Zelldesign zusammenhängen. © HZB
Zuverlässige Aussagen über die Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen sind nach wie vor schwierig. Welche Verfahren zur Prognostik von Langzeitstabilität aussagekräftig sind, und wo noch Forschungsbedarf besteht, zeigt nun eine neue Studie aus dem Team um Dr. Carolin Ulbrich im renommierten Fachjournal Joule.
Perowskit-Solarzellen (PSCs) könnten innerhalb weniger Jahre den Massenmarkt erobern, vielleicht sogar „Made in Europe“. Ihre Großserienfertigung ist äußerst kostengünstig, und im Gegensatz zu Silizium-Solarzellen kostet ihre Herstellung deutlich weniger Energie. Allerdings müssen Perowskit-Solarzellen im praktischen Einsatz dann auch idealerweise über Jahrzehnte hinweg konstante Leistung liefern, was nach wie vor eine Herausforderung darstellt. Um die Langzeitstabilität von PSCs abzuschätzen, setzt man auf unterschiedliche Testverfahren, die die Alterung stark beschleunigen. Aber wie gut bilden solche Verfahren die echten Degradationsprozesse ab? Diese Frage beantwortet nun eine neue Studie in „Joule“ aus dem Team unter der Leitung von Dr. Carolin Ulbrich, HZB, und Andreas Bartelt, HTW Berlin.
Drei Alterungsprozesse im Blick
In der Studie wurden natürlich gealterte Perowskit-Solarzellen mit „künstlich gealterten“ Perowskit-Solarzellen verglichen. Dafür identifizierte das Team zunächst drei zentrale Degradationsmechanismen in Perowskit-Solarzellen (PSCs), die im Freiluftlabor des HZB in Berlin unter realen Bedingungen 20 Monate lang Wind und Wetter ausgesetzt waren. Der wichtigste Degradationsmechanismus ist eine Phasensegregation, bei der sich die Zusammensetzung des Perowskit-Materials verändert, so dass sich kreisförmige Domänen mit Durchmessern von wenigen Mikrometern bilden. Die beiden anderen Mechanismen sind Kupferkorrosion und Randmuster, die in erster Linie mit dem Zelldesign zusammenhängen. Im Labor unterzog das Team neu hergestellte PSCs verschiedenen beschleunigten Alterungsprozessen und untersuchte, inwieweit sich die drei beobachteten Degradationsphänomene reproduzieren ließen.
Alterung beschleunigen - aber wie?
Eine gern genutzte Methode, um das Altern von Solarzellen zu beschleunigen, sind höhere Betriebstemperaturen (65-85 °C). Doch schon in einer früheren Studie hatte die Gruppe gezeigt, dass dies zu einem zusätzlichen Degradationsmechanismus führt, der weder bei tieferen Betriebstemperaturen noch im Außeneinsatz beobachtet wird. Daher wandte sich die Gruppe alternativen Methoden zur Beschleunigung der Degradation zu.
Mehr Licht ist der Schlüssel
Denn auch eine höhere Lichtintensität oder unterschiedliche elektrische Vorspannungen können die Degradationsmechanismen verstärken. „Eine Erhöhung der Lichtintensität von einer Sonne auf 2,3 Sonnen beschleunigt alle drei Degradationsmechanismen, wobei die im Freien beobachteten räumlichen Trends erhalten bleiben, so dass dies wirklich Alterung im Zeitraffer ermöglicht“, sagt Ulas Erdil, Erstautor der Studie. Unterschiedliche Vorspannungen (Alterung unter Leerlaufbedingungen) dagegen fördern zwar ebenfalls die Phasensegregation, beeinflussen aber gleichzeitig das räumliche Ausmaß der Kupferkorrosion und die Bildung von Randmustern, so dass die damit erreichte Degradation sich von der unter realen Bedingungen unterscheidet.
Werkzeug für die Weiterentwicklung der Perowskit-Technologie
Beschleunigte Alterungstests, das zeigt diese Studie, sind auch heute noch eine Herausforderung. „Sie sind aber nützliche Werkzeuge für ein schnelles Screening neuer Materialien oder Zelldesigns und können damit die Entwicklung der Perowskit-Technologie sehr fördern“, sagt Erdil.
„Wir haben noch nicht die perfekte Lösung für zuverlässige Prognosen der Langzeitstabilität“, betont Carolin Ulbrich. „Aber wir sind einen Schritt weiter, wir wissen nun, dass intensiveres Licht ein Schlüsselparameter für die Beschleunigung von Alterungsprozessen ist.“
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