Perowskit-Solarzellen robuster gegen Wetter machen

Perowskit-Solarzellen gelten in der Photovoltaik als besonders vielversprechende Innovation. Sie basieren auf speziellen kristallinen Materialien, die Sonnenlicht mit hoher Effizienz in elektrische Energie umwandeln. Gleichzeitig reagieren sie empfindlich auf wechselnde Temperaturen, was ihren breiten Einsatz bislang erschwert. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) und des Exzellenzclusters e-conversion hat nun untersucht, weshalb diese Materialien im Betrieb an Leistungsfähigkeit einbüßen und mit welchen Ansätzen sich ihre Stabilität verbessern lässt.

Gemeinsam mit Partnern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY sowie des KTH Royal Institute of Technology in Stockholm analysierten die Forschenden die mikroskopischen Prozesse, durch die Temperaturwechsel die Alterung des Materials beschleunigen. Parallel entwickelten sie einen Lösungsansatz, der die empfindliche Kristallstruktur mithilfe eigens konzipierter molekularer Anker stabilisieren soll.

Bewährungsprobe außerhalb des Labors

Damit Solarzellen einen Beitrag zu künftigen Klimazielen leisten können, müssen sie über viele Jahre hinweg zuverlässig arbeiten. Perowskit-Materialien erreichen zwar bereits sehr hohe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom, doch unter realen Umweltbedingungen stehen sie vor großen Herausforderungen. Vor allem thermische Zyklen, also der ständige Wechsel zwischen Erwärmung und Abkühlung, setzen den Materialien zu. Innerhalb eines Tages müssen Module kalte Nächte ebenso verkraften wie starke Hitze. Diese Belastungen können frühzeitig Alterungsprozesse auslösen, wodurch Perowskit-Solarzellen einen Teil ihrer Leistungsfähigkeit einbüßen.

Prof. Peter Müller-Buschbaum, Leiter des Lehrstuhls für Funktionelle Materialien an der TUM School of Natural Sciences und Mitglied des Exzellenzclusters e-conversion, betonte, dass diese Zellen nicht nur unter Laborbedingungen überzeugen dürften, sondern auch jahreszeitlichen Belastungen im Alltag standhalten müssten, wenn sie künftig auf Dächern eingesetzt werden sollen. Sein Team habe die mikroskopischen Ursachen dieser Instabilität entschlüsselt. Auf dieser Grundlage seien neue Designstrategien entstanden, mit denen sich insbesondere die obere Schicht von Tandem-Solarzellen robuster gestalten lasse. Tandem-Solarzellen bestehen aus mindestens zwei übereinandergestapelten Zellen und können das Sonnenlicht dadurch effizienter nutzen.

Die kritische Anfangsphase im Fokus

In einer in Nature Communications veröffentlichten Studie untersuchte das Team um Erstautor Dr. Kun Sun vom TUM-Lehrstuhl für Funktionelle Materialien sogenannte Wide-Bandgap-Zellen mit hohem Wirkungsgrad, also die oberen Zellen innerhalb einer Tandem-Solarzelle. Mithilfe hochauflösender Röntgenmessungen am DESY konnten die Forschenden in Echtzeit verfolgen, wie sich das Material bei schnellen Temperaturwechseln verhält. Dabei zeigte sich, dass sich das Kristallgitter abhängig vom Temperaturverlauf wiederholt ausdehnt und zusammenzieht.

Besonders auffällig war, dass der Leistungsverlust vor allem in einer ausgeprägten frühen Phase einsetzt, die in der Fachwelt als Burn-in bezeichnet wird. In diesem Stadium können die Zellen bis zu 60 Prozent ihrer relativen Leistungsfähigkeit verlieren. Dr. Kun Sun erklärte, dass dieser Verlust durch Spannungen im Inneren des Materials ausgelöst werde, wodurch sich dessen Struktur verändere und die Leistung sinke. Aus diesen Erkenntnissen ergibt sich für die Entwicklung neuer Solarzellen ein klares Ziel: Diese frühe Burn-in-Phase muss verhindert werden, um die langfristige Stabilität zu sichern.

Ein molekularer Anker für mehr Stabilität

Wie sich das Material vor strukturellem Zerfall schützen lässt, beschreibt eine zweite Studie, die in ACS Energy Letters erschienen ist. Darin zeigen die Forschenden, dass sich das empfindliche Kristallmaterial durch spezielle organische Moleküle stabilisieren lässt. Diese fungieren als Abstandshalter und halten die Struktur zugleich wie ein molekularer Anker zusammen.

Beim Vergleich verschiedener Abstandshalter kristallisierte sich ein besonders geeigneter Kandidat heraus. Während gängige Materialien den strukturellen Zerfall begünstigten, erwies sich das größere organische Molekül PDMA als besonders wirksam. Damit entstand eine deutlich robustere Solarzelle, die auch unter mechanischer Belastung durch schnelle Temperaturwechsel stabil blieb.

Prof. Müller-Buschbaum zeigte sich überzeugt, dass Tandem-Technologien die Zukunft der Photovoltaik prägen werden. Das Verständnis der zugrunde liegenden mikroskopischen Mechanismen schaffe die Grundlage für eine neue Generation von Solarmodulen, die nicht nur hohe Effizienz erreichten, sondern auch robust genug für einen jahrzehntelangen Einsatz im Freien seien.

Dieser Text basiert auf einer Pressemitteilung von Technische Universität München/Veröffentlicht am 27.03.2026 und wurde unter Zuhilfenahme von KI erstellt.