Seit Jahren elektrisieren Perowskite die Solarbranche. Die metall-organischen Verbindungen haben innerhalb kurzer Zeit die Wirkungsgrade von langerprobten Materialien wie Silizium eingeholt. Sie sind schnell, flexibel und günstig zu produzieren. Aber mit der Zeit nimmt ihre Effizienz stark ab. Woher die Instabilität kommt, erforscht Antonio Abate mit seiner Nachwuchsgruppe am HZB.

In einer Rangliste des Magazins Times Higher Education der weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Perowskit-Solarzellen landete Abate auf Platz 2. Direkt hinter dem “Gründervater” Henry Snaith. Die gute Platzierung im “Times Higher Education Ranking” spiegelt den erfolgreichen Werdegang des jungen Italieners. Denn der 34-Jährige ist in der Wissenschaftswelt schon viel herumgekommen. Nach seiner Promotion in Italien und Spanien ging Abate zunächst als Postdoktorand nach Oxford und Cambridge. Anschließend forschte er mit einem Stipendium in der Schweiz und lehrte als Gastprofessor in China. Im Februar 2017 kam er nach Berlin und baut seitdem am HZB die Nachwuchsgruppe “Materialien und Grenzflächen für stabile Perwoskit-Solarzellen” auf.

“Perowskit-Solarzellen sind prinzipiell Standard-Solarzellen, das Neue daran ist das Material”, erklärt Abate. 2009 demonstrierte Tsutomu Miyasaka mit einer Farbstoffsolarzelle erstmals, wie sich mit Perowskiten Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln lässt. Der Wirkungsgrad, also wieviel Energie des eingestrahlten Sonnenlichts tatsächlich genutzt werden kann, lag bei gerade einmal 3,8 Prozent. Das Problem war, dass das Perowskit in einer Flüssigkeit gelöst war und dort nicht stabil blieb. Der Durchbruch kam 2012. Zusammen mit Miyasaka gelang es Forschern der Universität Oxford, Perowskite in fester, stabiler Form zu nutzen. Direkt mit dabei war Antonio Abate. “Ich hatte das Glück, dass ich zur richtigen Zeit am richtigen Ort war”, meint der junge Italiener. In den folgenden Jahren versuchten Forscher weltweit, das neue Wundermaterial zu verstehen und ihre Systeme zu verbessern. Bereits 2016 waren die Wirkungsgrade von Perowskit-Solarzellen auf dem gleichen Niveau wie die Silizium-Modelle.

Alterungsprozess besser verstehen

“An diesem Punkt verschob sich der Fokus von der Effizienz zur Stabilität. Das ist eine große Herausforderung. Schließlich wollen wir ein organisches Material über 25 Jahre hinweg direktem Sonnenlicht aussetzen”, sagt Abate. Doch zunächst müssen sie den Alterungsprozess besser verstehen. Dazu betrachten die Forscher nicht nur die Stabilität des Materials an sich. Sie schauen auch auf die Reaktionen an den Grenzflächen, um zu verstehen, wie sich das Material innerhalb einer Solarzelle verhält. Dann variieren sie die Materialkomposition und beobachten, wie sich das wiederrum auf die unterschiedlichen Mechanismen innerhalb des Materials auswirkt. Ein aufwendiges Vorgehen, bei dem es viele verschiedene Parameter und Unbekannte gibt.

Am HZB kann Abate dabei für die Herstellung und Analyse seiner Proben auf verschiedene Methoden zurückgreifen. So arbeitet seine Gruppe in den neuen HYSPRINT-Laboren, am EMIL@BESSY II, beim PVcomB und in Laboren am Lise-Meitner-Campus in Wannsee.

Abates Forschung hat aber nicht nur die Stabilität im Blick, sondern er will auch gleichzeitig die Umweltverträglichkeit verbessern. Beide Probleme müssen gelöst werden, um Perowskit-Solarzellen tatsächlich auf die Hausdächer zu bringen. Bislang wird für die Herstellung von Perowskiten oft Blei verwendet. Abate hofft, dass seine Forschungen einen Beitrag liefern können, um auf das giftige Schwermetall in Zukunft zu verzichten.