München (OTS) – München (ots)
– LMU-Forschende entwickeln molekulare „Stoßdämpfer“ gegen thermische
Materialermüdung.
– Dadurch bleiben Solarzellen auch unter extremen
Temperaturschwankungen leistungsfähig – ein entscheidender Schritt
für Anwendungen in der Raumfahrt oder an extremen Standorten.
– Die optimierten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von 26 Prozent
und bleiben auch nach wiederholten extremen Temperaturwechseln
zwischen -80 und +80 Grad Celsius leistungsstark.
Das Team von Erkan Aydin an der Ludwig-Maximilians-Universität
München (LMU) hat eine neue Strategie vorgestellt, um Perowskit-
Solarzellen widerstandsfähiger gegen extreme Temperaturschwankungen
zu machen. Die Forschenden um Dr. Erkan Aydin , Gruppenleiter am
Department für Chemie und Pharmazie der LMU, kombinierten dafür zwei
molekulare Ansätze. Ihr Ziel war, sowohl die Kornstruktur im
Perowskit-Material als auch die Grenzflächen der Solarzelle zu
stabilisieren mit besonderem Schwerpunkt auf der Verbesserung der
Wechselwirkung zwischen der Perowskit-Schicht und dem
darunterliegenden Substrat. Dadurch können die Solarzellen auch unter
den für die erdnahe Umlaufbahn typischen extremen Temperaturwechseln
sowie unter anderen widrigen Umgebungsbedingungen eine stabile
Leistung aufrechterhalten. Ihre Ergebnisse wurden in der
Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Eine vielversprechende, aber empfindliche Technologie
Zum Hintergrund: Perowskit-Solarzellen gelten als eine der
vielversprechendsten Photovoltaik-Technologien der nächsten
Generation. Sie lassen sich vergleichsweise kostengünstig herstellen
und erreichen hohe Wirkungsgrade.
Problematisch ist jedoch ihre mechanische Stabilität. Gerade bei
starken Temperaturschwankungen im Orbit, etwa im Bereich zwischen -80
und +80 Grad Celsius, können sich Materialien im Inneren der
Solarzelle unterschiedlich stark ausdehnen und zusammenziehen.
Dadurch entstehen mechanische Spannungen, die zu Rissen, Ablösung
oder Leistungsabfall führen.
Solche Bedingungen treten nicht nur im Labor bei beschleunigten
Alterungstests auf, sondern auch in bestimmten Einsatzumgebungen,
etwa im niedrigen Erdorbit, wo Solarzellen auf Satelliten innerhalb
kurzer Zeiträume wiederholt direkter Sonneneinstrahlung oder Kälte
ausgesetzt sind. Infolgedessen können diese Temperaturextreme je nach
Bauart des Raumfahrzeugs und der Umlaufbahn variieren, weshalb das
Team hierfür einen repräsentativen Temperaturbereich auswählte.
Molekulare „Stoßdämpfer“ für Solarzellen
Aydins Team entwickelte deshalb eine zweistufige molekulare
Verstärkungsstrategie, um besonders anfällige Bereiche der Solarzelle
gezielt zu stabilisieren.
Zum einen integrierten die Forschenden Alpha-Liponsäure in die
Perowskit-Schicht. Beim Herstellungsprozess polymerisieren diese
Moleküle teilweise und bilden eine Art Netzwerk an den Korngrenzen
des Materials. Dadurch werden Defekte reduziert; die mechanische
Stabilität erhöht sich.
Zum anderen verstärkten die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler die Grenzfläche zwischen Elektrodenmaterial und
Perowskit-Schicht mit speziell entwickelten Molekülen. Besonders
erfolgreich war ein Molekül mit Sulfonium-Gruppe, das eine besonders
starke chemische Bindung an der Grenzfläche ausbildet. Es handelt
sich um DMSLA (Dimethylsulfonium-Lipoic Acid, Dimethylsulfonium-
Liponsäure).
„Man kann sich diese Moleküle wie ein flexibles, verankertes Netz
vorstellen“, erklärt Aydin. „Sie sorgen dafür, dass die
lichtabsorbierende Perowskit-Schicht fest mit dem Substrat verbunden
bleibt, sodass sie sich an Temperaturänderungen anpassen kann, ohne
dass es zu einer Ablösung kommt.“
Wirkungsgrade über 25 Prozent
Die optimierten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von 26
Prozent, etwa 3 Prozent mehr als bei dem in der Studie verwendeten
Referenzmodell. In Experimenten blieb die Leistung auch nach
wiederholten extremen Temperaturzyklen weitgehend erhalten. Nach 16
Zyklen zwischen -80 und +80 Grad Celsius behielten die modifizierten
Solarzellen 84 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz, während
Referenzzellen deutlich stärker an Leistung verloren.
Die Experimente zeigen zudem, dass nicht nur die Anzahl der
Temperaturwechsel entscheidend ist, sondern vor allem die gesamte
Dauer der thermischen Belastung. Ein Großteil der Materialdegradation
tritt schon während der ersten Zyklen auf.
Perspektiven für Raumfahrt und flexible Photovoltaik
Nach Ansicht der Forschenden liefern die Ergebnisse wichtige
Hinweise für die Weiterentwicklung langlebiger Perowskit-Solarzellen.
„Unsere Arbeit zeigt, dass man die mechanische Stabilität von
Perowskit-Solarzellen gezielt verbessern kann, wenn man die
kritischen Grenzflächen und Korngrenzen im Material adressiert. Damit
kommen wir der praktischen Nutzung dieser Technologie einen Schritt
näher“, sagt Aydin und fügt hinzu: „Als Forschungsgruppe mit Sitz in
München entwickeln wir Strategien zur Vorbereitung von Perowskit-
Solarzellen für Weltraumanwendungen. Es werden weitere Arbeiten
folgen, um ein tieferes Verständnis dafür zu gewinnen, wie sich
unsere Zellen unter solch extremen Bedingungen verhalten.“
Besonders interessant sei die Technologie für Anwendungen mit
extremen Temperaturbedingungen, etwa in der Raumfahrt, bei
flugfähigen Plattformen in der Stratosphäre oder in zukünftigen
leichten Solarmodulen.
Publikation:
Yilmaz, C., Buyruk, A., Shi, Y., Levashov, S., Li, X., Hooijer,
R., Huang, J., Zhu, H., Fischer, O., Schubert, M. C., Deger, C.,
Yavuz, I., Ugur, E., Lubineau, G., Eichhorn, J., Zhang, F., & Aydin,
E. (2026). Perovskite solar cells with enhanced thermal fatigue
resistance under extreme temperature cycling. Nature Communications.
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70293-7