TUM-Forschende entschl\u00fcsseln, wie Solarzellen altern und entwickeln L\u00f6sungskonzeptePerowskit-Solarzellen wetterfest machen.<\/p>\n\n\n\n
Perowskit-Solarzellen gelten als Technologiesprung in der Photovoltaik. Sie bestehen aus speziellen kristallinen Materialien, die Sonnenlicht sehr effizient in Strom umwandeln. Aber sie reagieren sensibel auf Temperaturschwankungen, was ihren Weg auf die D\u00e4cher bisher ausbremst. Forschende der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen (TUM) und des Exzellenzclusters e-conversion haben herausgefunden, warum die vielversprechenden Materialien an Leistung verlieren und wie sie sich stabilisieren lassen.<\/p>\n\n\n\n
Perowskit-Solarzellen geh\u00f6ren zu den aussichtsreichsten Technologien, um Solarstrom g\u00fcnstiger und effizienter zu gestalten. Gemeinsam mit Partnern vom Karlsruher Institut f\u00fcr Technologie (KIT), vom DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) sowie vom KTH Royal Institute of Technology in Stockholm hat das Team die mikroskopischen Mechanismen aufgedeckt, durch die schwankende Temperaturen das Material altern lassen. Zudem haben sie eine Strategie entwickelt, um dies zu verhindern. Ihr Ansatz: Die fragile Kristallstruktur mithilfe speziell entwickelter \u201emolekularer Anker\u201c stabilisieren.<\/p>\n\n\n\n
Jenseits des Labors: \u00dcberleben in der realen Welt<\/h4>\n\n\n\n
Um die Klimaziele von morgen zu erreichen, m\u00fcssen Solarzellen die Eigenschaft besitzen, \u00fcber Jahrzehnte zuverl\u00e4ssig zu funktionieren. Zwar erreichen Perowskit-Materialien bereits rekordverd\u00e4chtige Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom, jedoch stehen sie in der Natur einem harten Gegner gegen\u00fcber: extremen Temperaturschwankungen. Fachleute nennen dies thermische Zyklen. Innerhalb eines einzigen Tages muss ein Solarmodul sowohl frostigen N\u00e4chten als auch gro\u00dfer Hitze standhalten. Diese realen Bedingungen \u2013 wiederholtes Erw\u00e4rmen und Abk\u00fchlen \u2013 k\u00f6nnen eine fr\u00fchzeitige Materialdegradation (Alterung) ausl\u00f6sen, wodurch Perowskit-Solarzellen einen Teil ihrer relativen Leistungsf\u00e4higkeit verlieren.<\/p>\n\n\n\n
\u201eWenn wir diese Zellen auf unseren D\u00e4chern sehen wollen, m\u00fcssen wir sicherstellen, dass sie nicht nur im Labor funktionieren, sondern auch den jahreszeitlichen Belastungen trotzen\u201c, sagt Prof. Peter M\u00fcller-Buschbaum, der den Lehrstuhl f\u00fcr Funktionelle Materialien an der TUM School of Natural Sciences leitet und Mitglied des Exzellenzclusters e-conversion ist. Sein Team erforscht die mikroskopischen Ursachen und hat nun entschl\u00fcsselt, wie sie das Material instabil machen. Auf Basis dieser Erkenntnisse entstanden neue Designstrategien, um die obere Schicht von Tandem-Solarzellen robuster zu gestalten, sodass sie realen Bedingungen standhalten k\u00f6nnen. Tandem-Solarzellen bestehen aus \u00fcbereinandergestapelten Solarzellen (mindestens zwei) und nutzen dadurch das Sonnenlicht besser aus.<\/p>\n\n\n\n
Die Einbrenn-Phase entschl\u00fcsselt<\/h4>\n\n\n\n
In einer Studie, die in Nature Communications<\/em> ver\u00f6ffentlicht wurde, untersuchte Erstautor Dr. Kun Sun vom TUM-Lehrstuhl f\u00fcr Funktionelle Materialien gemeinsam mit dem Forschungsteam sogenannte hocheffiziente Wide-Bandgap-Zellen \u2013 die oberen Zellen in einer Tandem-Solarzelle. Mithilfe hochaufl\u00f6sender R\u00f6ntgenmessungen am DESY beobachteten sie in Echtzeit, wie das Material w\u00e4hrend schneller Temperatur\u00e4nderungen \u201eatmet\u201c, indem sich das Kristallgitter je nach Temperaturprofil periodisch ausdehnt und zusammenzieht.<\/p>\n\n\n\n
Was an der Entdeckung bemerkenswert war: Die Degradation tritt in einer ausgepr\u00e4gten anf\u00e4nglichen Einbrenn-Phase auf, von Experten als \u201cBurn-in\u201c bezeichnet, in der die Zellen bis zu 60 % ihrer relativen Leistungsf\u00e4higkeit verlieren. \u201eWir konnten zeigen, dass eine Art mikroskopisches Tauziehen diesen Verlust ausl\u00f6st\u201c, erkl\u00e4rt Dr. Kun Sun. \u201eIm Inneren des Materials entstehen Spannungen und seine Struktur ver\u00e4ndert sich. Das kostet Leistung.\u201c Mit diesem Wissen haben Ingenieurinnen und Ingenieure ein Entwicklungsziel: Die \u201cBurn-in\u201d-Phase unterbinden, um langfristige Stabilit\u00e4t zu erreichen.<\/p>\n\n\n\n
Den \u201eperfekten Anker\u201c entwickeln<\/h4>\n\n\n\n
Doch wie l\u00e4sst sich verhindern, dass das Material buchst\u00e4blich auseinanderf\u00e4llt? In einer zweiten Studie, ver\u00f6ffentlicht in ACS Energy Letters<\/em>, berichten die Forschenden, wie sich das empfindliche Kristallmaterial stabilisieren l\u00e4sst. Sie verwenden daf\u00fcr spezielle organische Molek\u00fcle, die als Abstandshalter wirken und dabei die Struktur wie ein Anker zusammenhalten \u2013 vergleichbar mit einem molekularen Ger\u00fcst.<\/p>\n\n\n\n
Durch den Vergleich verschiedener solcher Abstandshalter fanden die Forschenden einen Gewinner: W\u00e4hrend g\u00e4ngige Kandidaten zum strukturellen Zerfall f\u00fchrten, erwies sich das volumin\u00f6sere organische Molek\u00fcl PDMA als beste Option: Es entstand eine deutlich robustere Solarzelle, die selbst unter dem mechanischen Stress schneller Erw\u00e4rmung und Abk\u00fchlung stabil bleibt.<\/p>\n\n\n\n
\u201eDie Zukunft der Photovoltaik tr\u00e4gt die Vorsilbe Tandem\u201c, ist Prof. Peter M\u00fcller-Buschbaum \u00fcberzeugt. \u201eIndem wir die mikroskopischen Mechanismen verstehen, ebnen wir den Weg f\u00fcr eine neue Generation von Solarmodulen, die sowohl hocheffizient als auch robust genug f\u00fcr Jahrzehnte im Au\u00dfeneinsatz sind.\u201c<\/p>\n\n\n\n
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Kun Sun, Renjun Guo et al.: \u201cInsights into the operational stability of wide-bandgap perovskite and tandem solar cells under rapid thermal cycling\u201d, ver\u00f6ffentlicht in: Nature Communications, 14 January 2026, DOI: https:\/\/doi.org\/10.1038\/s41467-025-68219-w<\/a><\/li>\n\n\n\n