Perowskit-Solarzellen gelten als günstige Alternative zu Silizium-Zellen. Doch wie lange halten sie wirklich? Bisherige Labortests liefern oft verzerrte Ergebnisse, weil sie Alterungsprozesse erzeugen, die in der Realität gar nicht auftreten. Ein Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Berlin hat nun in einem 20-monatigen Freilandtest herausgefunden, welche Testmethode die tatsächliche Alterung am besten abbildet.
Das Potenzial in der Solarbranche ist groß, da die Herstellung von Perowskit-Solarzellen in der Großserie als extrem kostengünstig gilt. Im direkten Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen erfordert die Produktion zudem deutlich weniger Energie.
Ein großflächiger Einsatz in der Praxis setzt jedoch voraus, dass die Module über Jahrzehnte hinweg eine konstante Leistung erbringen. Bislang lässt sich diese notwendige Beständigkeit im Außeneinsatz allerdings nicht mit absoluter Sicherheit garantieren.
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Die Degradation der Perowskit-Solarzellen im Freilandtest
In einem umfassenden Freiluft-Alterungstest wurden die Module über einen Zeitraum von 20 Monaten hinweg realen Umweltbedingungen ausgesetzt. Dabei identifizierte ein Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Berlin drei zentrale Mechanismen, die die Stabilität der Zellen beeinträchtigen: die sogenannte Phasensegregation, Kupferkorrosion sowie die Entstehung von Randmustern.
Als bedeutendster Faktor stellte sich die Phasensegregation heraus, bei der sich die chemische Materialzusammensetzung des Perowskits verändert. In der Folge bilden sich kreisförmige Domänen mit Durchmessern von wenigen Mikrometern.
Die beiden anderen Phänomene, namentlich die Kupferkorrosion und die Ausbildung spezifischer Randmuster, hängen dagegen in erster Linie mit dem gewählten Zelldesign zusammen. Sie bieten einen direkten Ansatzpunkt für künftige Optimierungen der Modularchitektur.
Laborprüfungen für Perowskit-Solarzellen auf dem Prüfstand
Um die jahrelange Alterung im Zeitraffer zu simulieren, greifen Labore standardmäßig auf künstliche Beschleunigungsverfahren zurück. Typische Betriebstemperaturen liegen hierbei im Bereich von 65 bis 85 Grad Celsius, um die chemischen Prozesse gezielt zu forcieren.
Diese etablierten Methoden bilden die echten, in der Natur stattfindenden Degradationsprozesse jedoch oft nicht fehlerfrei nach. Das Altern unter Leerlaufbedingungen bei veränderten elektrischen Vorspannungen führt zu deutlichen Abweichungen beim räumlichen Ausmaß der Korrosion.
Zudem verursachen die hohen Temperaturen von 65 bis 85 Grad Celsius im Labor einen zusätzlichen Alterungsmechanismus. Dieser tritt im kühleren, realen Außeneinsatz überhaupt nicht auf, wodurch die Testergebnisse im Ergebnis verfälscht werden.
Intensives Licht als verlässlicher Parameter
Einen vielversprechenderen Weg zeigt die Erhöhung der Lichtintensität von einer Sonne auf 2,3 Sonnen im realitätsnahen Zeitraffer-Test. Bei dieser Methode bleibt der räumliche Trend der natürlichen Alterung präzise erhalten, ohne dass künstliche Störeffekte den Prozess verzerren.
Die beschleunigte Lichtalterung fungiert somit als wertvolles Werkzeug für das schnelle Screening neuer Materialien und optimierter Zelldesigns. Auf diese Weise wird die technologische Weiterentwicklung massiv vorangetrieben. Carolin Ulbrich erklärte dazu den aktuellen Forschungsstand:
Wir haben noch nicht die perfekte Lösung für zuverlässige Prognosen der Langzeitstabilität. Aber wir sind einen Schritt weiter, wir wissen nun, dass intensiveres Licht ein Schlüsselparameter für die Beschleunigung von Alterungsprozessen ist.
Obwohl eine perfekte Lösung zur Vorhersage der Stabilität noch aussteht, rückt die weltweite Marktreife schrittweise näher. Das Potenzial für eine zukünftige Solarproduktion „Made in Europe“ ist damit greifbarer geworden.
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