Röntgenuntersuchungen bei Perowskit-Solarzellen Was passiert in Solarzellen bei Temperaturänderungen?

Tiefe Temperaturen am Morgen, hohe Temperaturen am Nachmittag: Temperaturschwankungen sorgen für eine beschleunigte Alterung bei Solarzellen. Um solche Prozesse zu verlangsamen hat ein Wissenschaftler-Team der Technischen Universität München (TUM) gemeinsam mit Partnern die Prozesse in Perowskit-Solarzellen mithilfe hochauflösender Röntgenmessungen untersucht.

Perowskit-Solarzellen gehören zu den aussichtsreichsten Technologien, um Solarstrom günstiger und effizienter zu gestalten. Gemeinsam mit Partnern vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) sowie vom KTH Royal Institute of Technology in Stockholm hat das TUM-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 „molekularer Anker“ stabilisieren.

Temperaturschwankungen lassen Solarzellen altern

Um die Klimaziele von morgen zu erreichen, müssen Solarzellen die Eigenschaft besitzen, über Jahrzehnte zuverlässig zu funktionieren. Zwar erreichen Perowskit-Materialien bereits rekordverdächtige Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom, jedoch stehen sie in der Natur einem harten Gegner gegenüber: extremen Temperaturschwankungen. Fachleute nennen dies thermische Zyklen. Innerhalb eines einzigen Tages muss ein Solarmodul sowohl frostigen Nächten als auch großer Hitze standhalten. Diese realen Bedingungen – wiederholtes Erwärmen und Abkühlen – können eine frühzeitige Materialdegradation (Alterung) auslösen, wodurch Perowskit-Solarzellen einen Teil ihrer relativen Leistungsfähigkeit verlieren.

„Wenn wir diese Zellen auf unseren Dächern sehen wollen, müssen wir sicherstellen, dass sie nicht nur im Labor funktionieren, sondern auch den jahreszeitlichen Belastungen trotzen“, sagt Prof. Peter Müller-Buschbaum, der den Lehrstuhl für 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 entschlüsselt, 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 können. Tandem-Solarzellen bestehen aus übereinandergestapelten Solarzellen (mindestens zwei) und nutzen dadurch das Sonnenlicht besser aus.

Die anfängliche Einbrenn-Phase ist entscheidend

In einer Studie, die jetzt veröffentlicht wurde, untersuchte Erstautor Dr. Kun Sun vom TUM-Lehrstuhl für Funktionelle Materialien gemeinsam mit dem Forschungsteam so genannte hocheffiziente Wide-Bandgap-Zellen – die oberen Zellen in einer Tandem-Solarzelle. Mithilfe hochauflösender Röntgenmessungen am DESY beobachteten sie in Echtzeit, wie das Material während schneller Temperaturänderungen „atmet“, indem sich das Kristallgitter je nach Temperaturprofil periodisch ausdehnt und zusammenzieht.

Was an der Entdeckung bemerkenswert war: Die Degradation tritt in einer ausgeprägten anfänglichen Einbrenn-Phase auf, von Experten als “Burn-in“ bezeichnet, in der die Zellen bis zu 60 Prozent ihrer relativen Leistungsfähigkeit verlieren. „Wir konnten zeigen, dass eine Art mikroskopisches Tauziehen diesen Verlust auslöst“, erklärt Dr. Kun Sun. „Im Inneren des Materials entstehen Spannungen und seine Struktur verändert sich. Das kostet Leistung.“ Mit diesem Wissen haben Ingenieure ein Entwicklungsziel: Die “Burn-in”-Phase unterbinden, um langfristige Stabilität zu erreichen.

So lassen sich die Kristalle stabilisieren

Doch wie lässt sich verhindern, dass das Material buchstäblich auseinanderfällt? In einer zweiten Studie berichten die Forschenden, wie sich das empfindliche Kristallmaterial stabilisieren lässt. Sie verwenden dafür spezielle organische Moleküle, die als Abstandshalter wirken und dabei die Struktur wie ein Anker zusammenhalten – vergleichbar mit einem molekularen Gerüst.

Durch den Vergleich verschiedener solcher Abstandshalter fanden die Forschenden einen Gewinner: Während gängige Kandidaten zum strukturellen Zerfall führten, erwies sich das voluminösere organische Molekül PDMA (Proline-2′-deoxymugineic acid) als beste Option: Es entstand eine deutlich robustere Solarzelle, die selbst unter dem mechanischen Stress schneller Erwärmung und Abkühlung stabil bleibt.

„Die Zukunft der Photovoltaik trägt die Vorsilbe Tandem“, ist Prof. Peter Müller-Buschbaum überzeugt. „Indem wir die mikroskopischen Mechanismen verstehen, ebnen wir den Weg für eine neue Generation von Solarmodulen, die sowohl hocheffizient als auch robust genug für Jahrzehnte im Außeneinsatz sind.“

Originalpublikationen: Kun Sun, Renjun Guo et al.: “Insights into the operational stability of wide-bandgap perovskite and tandem solar cells under rapid thermal cycling”, veröffentlicht in: Nature Communications, 14 January 2026

un Sun, et al.: “Halide Segregation in Wide-Bandgap Quasi-2D Perovskites under Rapid Thermal Cycling”, veröffentlicht in: ACS Energy Lett. 2026, 11, 3, 2952–2958, 24 February 2026

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