Flexible Solarzellen mit 26,9 Prozent Wirkungsgrad – künftig Strom vom Autodach oder Rucksack

Ein Rucksack, der unterwegs das Handy lädt. Ein Autodach, das zusätzlich Strom erzeugt. Dafür braucht es Solarzellen, die leicht, biegsam und trotzdem leistungsfähig sind. Chinesischen Wissenschaftlern ist dabei ein wichtiger Fortschritt gelungen: Ihre flexiblen Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 26,9 Prozent. Selbst größere Module mit einer Fläche von 900 Quadratzentimetern kommen noch auf mehr als 20 Prozent. Das ist entscheidend, denn bislang verlieren biegsame Solarzellen beim Vergrößern häufig deutlich an Leistung.

Ein Forschungsteam der Southeast University und der Soochow University hat dafür ein neues Herstellungsverfahren entwickelt. Es ermöglicht gleichmäßigere Beschichtungen auf flexiblen Trägern und verbessert zugleich die Haltbarkeit der Module. Laut Mitteilung der Universität bestanden die Module auch anspruchsvolle Belastungstests bei extremen Temperaturen. Die Ergebnisse erschienen in Science.

Flexible Solarzellen lassen sich bislang nur schwer vergrößern

Perowskit-Solarzellen wandeln Sonnenlicht mithilfe spezieller Kristallmaterialien in elektrische Energie um. Anders als herkömmliche Silizium-Solarmodule lassen sie sich auf dünnen Kunststofffolien herstellen. Ihr geringes Gewicht und ihre Biegsamkeit machen sie auch für gekrümmte Oberflächen interessant. Selbst für die Raumfahrt kommen solche Solarzellen infrage.

Bei der Herstellung größerer Module entstehen allerdings häufig Probleme. Die Oberflächen flexibler Träger unterscheiden sich von denen starrer Materialien. Besonders die chemischen Bindungsstellen sind ungleichmäßig verteilt. Dadurch haften die aufgetragenen Schichten schlechter, und die Perowskitkristalle wachsen unregelmäßig. Die Folge sind Leistungsverluste und eine geringere Haltbarkeit.

Ein zusätzliches Molekül verbessert die Beschichtung

Die chinesischen Wissenschaftler entwickelten dafür ein Verfahren, das zwei chemische Vorgänge voneinander trennt. Normalerweise tragen Hersteller eine extrem dünne Transportschicht und das lichtabsorbierende Perowskit gemeinsam auf. Dabei können sich die beteiligten Moleküle gegenseitig behindern. Die Transportschicht verbindet sich dann nicht ausreichend mit dem Untergrund.

Ein speziell entwickeltes Zusatzmolekül verhindert diese störenden Wechselwirkungen. Die Transportschicht haftet dadurch schneller und gleichmäßiger. Gleichzeitig können die Perowskitkristalle kontrollierter wachsen. Das verringert Fehler im Material und verbessert die Stromausbeute auch auf größeren Flächen.

Große flexible Solarzellen liefern weiterhin hohe Leistung

Auch bei größeren Solarmodulen bleibt die Stromausbeute hoch. Nach Angaben der Southeast University erreichte das Forschungsteam bei drei unterschiedlichen Modulgrößen jeweils Rekordwerte:

• 25 Quadratzentimeter: 22,31 Prozent des einfallenden Sonnenlichts werden in Strom umgewandelt.
• 100 Quadratzentimeter: Die Ausbeute liegt bei 20,63 Prozent.
• 900 Quadratzentimeter: Selbst das größte Modul erreicht noch 20,15 Prozent.

Die Flächenangaben beziehen sich auf die gesamte Größe der Module. Tatsächlich erzeugt nur ein Teil davon Strom. Beim größten Modul sind das 750 von 900 Quadratzentimetern. Die angegebenen Wirkungsgrade beziehen sich jeweils auf diese aktive Solarfläche.

Selbst bei 85 Grad Celsius bleibt die Leistung weitgehend erhalten

Extreme Temperaturen setzen flexiblen Solarzellen zu. Deshalb überprüften die Wissenschaftler ihre Module unter verschiedenen Belastungen. Dazu gehörten Temperaturwechsel zwischen minus 40 und plus 85 Grad Celsius sowie längere Phasen mit starker Hitze und Beleuchtung.

In einem Langzeittest arbeitete ein Modul 1.044 Stunden bei 85 Grad Celsius und 65 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit. Währenddessen entnahmen die Wissenschaftler kontinuierlich elektrische Leistung. Anschließend erreichte es noch rund 92 Prozent seines ursprünglichen Wirkungsgrads. Die Module bestanden zudem sämtliche vorgesehenen Prüfsequenzen der internationalen Norm IEC TS 63163 für flexible Photovoltaikmodule.

Für die Massenproduktion sind weitere Schritte nötig

Ein Einsatz auf Autodächern, Rucksäcken oder anderen beweglichen Oberflächen setzt eine zuverlässige Herstellung größerer Solarflächen voraus. Das neue Verfahren könnte dafür eine technische Grundlage schaffen. Serienreife Produkte oder einen langjährigen Betrieb im Freien haben die Wissenschaftler damit allerdings noch nicht nachgewiesen.

Als nächsten Entwicklungsschritt nennt die Southeast University die sogenannte Rolle-zu-Rolle-Fertigung. Dabei bewegen sich lange Kunststoffbahnen kontinuierlich durch eine Produktionsanlage und erhalten ihre Beschichtung im laufenden Prozess. Auf diese Weise könnten flexible Solarmodule künftig in größeren Mengen entstehen. Die Wissenschaftler wollen außerdem untersuchen, ob sich das Verfahren für Tandem-Solarzellen eignet, die mehrere lichtabsorbierende Schichten kombinieren.

Kurz zusammengefasst:

• Hoher Wirkungsgrad: Chinesische Wissenschaftler haben flexible Solarzellen entwickelt, die 26,9 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in Strom umwandeln.
• Auch größere Module sind leistungsfähig: Dank eines neuen Beschichtungsverfahrens erreichen flexible Solarmodule mit 900 Quadratzentimetern Substratfläche noch 20,15 Prozent Wirkungsgrad.
• Neue Einsatzmöglichkeiten: Die leichten, biegsamen Solarzellen könnten künftig Strom auf Autodächern oder Rucksäcken erzeugen, müssen sich aber noch im langfristigen Praxiseinsatz bewähren.

Übrigens: Solarzellen könnten künftig sogar ohne direktes Sonnenlicht kleine Geräte versorgen. Forscher entwickeln bleifreie Perowskit-Zellen, die Strom aus gewöhnlichem Raumlicht gewinnen sollen – etwa für medizinische Sensoren, die ohne regelmäßiges Aufladen auskommen könnten.

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