Perowskit-Tandemzelle hält 97 Prozent Wirkungsgrad nach 2.000 Stunden Schatten

Solarzellen aus Perowskit und organischen Materialien gelten als leicht, flexibel und günstig in der Herstellung. Dieselben Vorteile teilen sie sich mit anderen Dünnschichttechnologien wie Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid. Ein Problem bremst den breiten Einsatz all dieser Zellen jedoch seit Jahren: Sobald Bäume, Wolken, Gebäude oder Vögel Teile eines Panels verschatten, entsteht in den betroffenen Zellen eine Sperrspannung. Diese negative Spannung senkt nicht nur den Ertrag, sie kann die Dünnschichtzelle dauerhaft schädigen. Da diese Zellen Strom sowohl über Elektronen als auch über Ionen leiten, reagieren sie auf länger anhaltende Sperrspannung besonders empfindlich. Ein Team der Hong Kong Polytechnic University (PolyU) um Professor Li Gang hat nun eine Tandemzelle aus Perowskit und organischem Material entwickelt, die genau dieses Problem löst. Selbst bei einer extremen Sperrspannung von minus 40 Volt behält die Zelle mehr als 90 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz. Nach 2.000 Betriebsstunden bei minus 4,5 Volt, umgerechnet etwa 83 Tage, bleiben sogar 97 Prozent der Leistung erhalten.

Versteckte Defekte als Ursache

Die Forscher:innen fanden heraus, woher der Schaden stammt: aus sogenannten tiefen Fallenzuständen in der Bulk-Heterojunction, jener Schicht, in der die Solarzelle den elektrischen Strom erzeugt. Diese Defekte fangen Ladungsträger ein, senken die Effizienz und begünstigen bei Sperrspannung dauerhafte Schäden. Bislang war unklar, wie sich organische Solarzellen unter solchen Bedingungen genau verhalten, obwohl ihr Wirkungsgrad in den vergangenen Jahren stark gestiegen ist. Das PolyU-Team unterdrückte gezielt isolierte Akzeptor-Cluster in der Donor-Akzeptor-Mischschicht der Zelle und reduzierte damit die Zahl der Fallenzustände deutlich. Das Ergebnis: Die organischen Solarzellen erreichten eine Durchbruchspannung von mehr als minus 35 Volt, ohne dauerhaften Schaden zu nehmen. Das setzt einen neuen Bestwert für die Stabilität organischer Solarzellen.

Die Tandemstruktur schützt die Perowskitschicht

Im zweiten Schritt kombinierten die Ingenieur:innen die verbesserte organische Zelle mit einer Perowskitschicht zu einer Tandemzelle. Die organische Schicht unterdrückt dabei den sogenannten Rückwärtstunneleffekt und schirmt so die empfindlichere Perowskitschicht vor Schäden durch Sperrspannung ab. Dieser Schutzmechanismus erklärt, warum die Tandemzelle selbst bei minus 40 Volt mehr als 90 Prozent ihrer Ausgangsleistung behält. Auch unter Dauerbelastung zeigte sich die Zelle robust: Nach zwölf Stunden bei minus 20 Volt blieben 90 Prozent der Leistung erhalten, nach 2.000 Stunden bei minus 4,5 Volt sogar 97 Prozent. Nach Angaben des Teams übertreffen diese Werte alle bislang verfügbaren Dünnschichttechnologien.

Wirkungsgrad über 26 Prozent

Die neue Arbeit baut auf einer früheren Studie des Teams auf, die 2025 in Nature Energy erschien. Damals erreichte die Gruppe mit einer n-i-p-Tandemzelle aus anorganischem Perowskit und organischem Material einen Wirkungsgrad von 25,9 Prozent, unabhängig zertifiziert bei 25,1 Prozent. In der neuen Studie steigt der Wirkungsgrad auf über 26 Prozent, gepaart mit der deutlich verbesserten Stabilität gegenüber Sperrspannung. Li Gang sieht darin einen wichtigen Schritt in Richtung praktischer Anwendung: Die gezeigte Stabilität in skalierbaren Minimodulen ebne den Weg für eine nachhaltige Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen.

via The Hong Kong Polytechnic University