Stanford University / Perowskit Facettenauge inspiriert zu neuem Solarzellen-Design

Das Facettenauge der Fliege inspirierte Stanford-Forscher dazu, eine zusammengesetzte Solarzelle zu schaffen, die aus Perowskit-Mikrozellen besteht, die in einem sechseckigen Gerüst eingekapselt sind.
Das Facettenauge der Fliege inspirierte Stanford-Forscher dazu, eine zusammengesetzte Solarzelle zu schaffen, die aus Perowskit-Mikrozellen besteht, die in einem sechseckigen Gerüst eingekapselt sind.

Perowskit gilt als vielversprechendes Material für Solarzellen. Leider ist es mechanisch wenig stabil. Forscher der Stanford University haben sich vom Facettenauge inspirieren lassen, um solche Solarzellen robuster zu machen.

»Perowskit ist ein vielversprechendes, kostengünstiges Material, das Sonnenlicht so effizient wie herkömmliche Solarzellen aus Silizium in Elektrizität wandelt«, sagt Reinhold Dauskardt, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Stanford University und leitenden Autor der Studie, deren Ergebnisse in der Zeitschrift Energy & Environmental Science (E & ES) veröffentlicht worden sind. »Das Problem ist, dass Perowskit extrem instabil und mechanisch zerbrechlich ist. Es würde den Herstellungsprozess kaum überleben, geschweige denn über längere in der Umwelt.«

Zudem verwenden die meisten Solaranlagen, wie sie z.B. auf einem Hausdach installiert werden, ein flaches Design. Dieser Ansatz eignet sich aber nicht für Perowskit-Solarzellen. »Perowskit ist das zerbrechlichste Material, das jemals in der Geschichte unseres Labors getestet wurde«, sagt der Doktorand Nicholas Rolston, Co-Lead-Autor der Studie. »Perowskit hat eine spröde, salzartige Kristallstruktur, die mechanische Eigenschaften ähneln Speisesalz.«

Das Fliegenauge

Um der Herausforderung der Haltbarkeit zu begegnen, wandte sich das Team an die Natur. »Wir haben uns vom Facettenauge der Fliege inspirieren lassen, das aus Hunderten von winzigen segmentierten Augen besteht«, erklärte Dauskardt. »Es hat eine schöne Wabenform mit eingebauter Redundanz: Verliert es ein Segment, arbeiten Hunderte von anderen weiter. Jedes Segment ist zwar sehr zerbrechlich, wird aber von einem ihm umgebenden Gerüst gestützt.«

Und so schufen die Forscher eine zusammengesetzte Solarzelle, die aus einer riesigen Wabe von Perovskit-Mikrozellen besteht, die jeweils in einem sechseckigen, 500 µm großen Gerüst eingekapselt sind. »Das Gerüst besteht aus einem preiswerten Epoxidharz, das in der Mikroelektronik weit verbreitet ist«, sagte Rolston. »Es ist widerstandsfähig gegenüber mechanischer Beanspruchung und damit weit beständiger gegen Zerbrechen.« Tests während der Studie zeigten, dass dieses Gerüst den Wirkungsgrad der Energiewandlung wenig beeinflusste.

Aber können die neuen Solarzellen der Art von Hitze und Feuchtigkeit widerstehen, denen sie auf einem Dach ausgesetzt wären? Um das herauszufinden, setzten die Forscher eingekapselte Perovskit-Zellen sechs Wochen lang Temperaturen von +85 °C und 85% relativer Luftfeuchte aus. Trotz dieser extremen Bedingungen erzeugten die Zellen weiterhin Strom mit relativ hohen Wirkungsgraden.