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Wachmacher Koffein hilft Solarzellen

Koffein-Solarzellen
Diese Perowskit-Solarzellen sind mit Koffein versetzt. (Bild: Rui Wang and Jingjing Xue)

Dünnschicht-Solarzellen aus Perowskit könnten die Energiequelle der Zukunft werden. Bisher allerdings haben sie ein großes Problem: Sie sind extrem anfällig gegenüber Hitze und Feuchtigkeit und zersetzen sich rasch. Jetzt könnten Forscher dagegen ein ungewöhnliches Mittel gefunden haben: Koffein. Wenn das Wachmacher-Molekül beim Züchten der Perowskit-Kristalle zugegeben wird, verleiht es dem Material günstigere Kristallmerkmale, eine höhere Hitzestabilität und noch dazu einen erhöhten Wirkungsgrad, wie Tests ergaben.

Bisher bildet Silizium das Grundmaterial der meisten gängigen Solarzellen. Solche Photovoltaik-Paneele erreichen im Schnitt einen Wirkungsgrad von 20 bis 25 Prozent, sind aber in der Herstellung aufwändig. Denn das Halbleitermaterial muss aus hochreinen Siliziumkristallen gefertigt werden. Eine günstigere und einfacher herzustellende Alternative könnten künftig Solarzellen aus dem Mineral Perowskit sein. Das Calcium-Titan-Oxid (CaTiO3) besitzt eine Kristallstruktur, die bei Anregung durch Licht sehr leicht Elektronen abgibt. Zudem kann das Material durch Aufdampfen oder aus Lösungen abgeschieden werden und so relativ kostengünstig in dünnen Filmen produziert werden. Inzwischen erreichen erste Prototypen von Perowskit-Solarzellen bereits Wirkungsgrade, die im Bereich des Siliziums liegen.

Das Problem der Instabilität

Doch es gibt ein großes Problem: Das Perowskit ist relativ instabil und zersetzt sich unter Einfluss von Hitze, Feuchtigkeit oder zu viel UV-Licht. Selbst bei Raumtemperatur haben einige Perowskit-Solarzellen bisher eine sehr begrenzte Haltbarkeit. Wissenschaftler in aller Welt arbeiten daher daran, die Stabilität dieses Photovoltaik-Materials zu verbessern. „Eine einfache, kostengünstige und allgemein einsetzbare Strategie, die die intrinsische thermische Instabilität von Perowskit-Solarzellen mindert, wird dringen gebraucht“, erklären Rui Wang von der University of California in Los Angeles und seine Kollegen. Die meisten bisherigen Ansätze versuchen dies durch spezielle Beschichtungen oder Zellarchitekturen zu erreichen. Ziel ist es dabei, die Aktivierungsenergie für die thermische Dekomposition des Materials so weit wie möglich heraufzusetzen.

Eine ungewöhnliche Lösung dafür könnten nun Wang und sein Team gefunden haben – quasi durch Zufall, wie Wangs Kollege Jingjing Hue erzählt: „Eines Tages, als wir die Perowskit-Solarzellen diskutierten, sagte Rui Wang: ‚Wenn wir Kaffee trinken, um unsere Energie zu steigern – warum nicht auch die Perowskite? Könnten sie vielleicht auch mit Koffein besser laufen?“ Was skurril klingt, ist chemisch betrachtet keineswegs abwegig. Denn das Koffeinmolekül trägt zwei Carboxylgruppen, durch Doppelbindungen mit Kohlenstoff verknüpfte Sauerstoffatome, die mit den Ausgangsstoffen der Perowskitkristalle wechselwirken können, wie die Forscher berichten. Theoretisch könnte das Koffein daher das Kristallwachstum des Perowskits günstig beeinflussen und sich in die Kristalle einlagern. Aber würde das die Stabilität des Materials verbessern?

Beständiger und leistungsfähiger durch Koffein

Um das zu testen, setzten Wang und sein Team bei der Herstellung des Perowskitschicht der Lösung ein bis zwei Gewichtsprozent an Koffein zu. Um herauszufinden, welchen Einfluss das Wachmachermolekül auf die Kristallstruktur des fertigen Dünnfilms hat, unterzogen sie diesen verschiedenen spektroskopischen und mikroskopischen Analysen. Sie ergaben, dass der Koffeinzusatz sich tatsächlich positiv ausgewirkt hatte: Die Perowskitkristalle waren größer und geordneter. „Der Einbau des Koffeins förderte das Wachstum der Perowskit-Körner in der Schichtebene, was den Ladungstransport verbessern kann“, berichten die Forscher. Als nächstes kombinierten sie den Perowskit-Dünnfilm mit Indiumzinnoxid (ITO) und weiteren Komponenten zu Solarzellen, um nun deren Stabilität und Leistung zu testen.

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Es zeigte sich: Der Wirkungsgrad der Koffein-Solarzellen muss sich nicht verstecken. Mit 20,25 Prozent erreichte er nicht nur mehr als die Vergleichszellen ohne Koffein. Die Leistung liegt damit auch im Bereich herkömmlicher Silizium-Solarzellen. „Wir waren selbst von diesen Ergebnissen überrascht“, sagt Wang. Positiv auch: Wurde die Koffein-Solarzelle erhitzt, blieb sie selbst bei 85 Grad Celsius relativ lange stabil: „Die Solarzelle behielt noch nach 1300 Stunden 86 Prozent ihres Wirkungsgrads“, berichten Wang und sein Team. Kontrollzellen ohne Koffein dagegen zeigten schon nach 175 Stunden einen Leistungsabfall auf nur 60 Prozent. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der Zusatz von Koffein demnach dazu beitragen, Perowskit-Solarzellen marktreif zu machen. „Koffein kann dem Perowskit zu hoher Kristallinität, wenigen Defekten und einer guten Stabilität verhelfen“, sagt Wang. Zudem erleichtert der Zusatz die Herstellung der Perowskitfilme. „Das bedeutet, dass das Koffein auch hilfreich bei der Produktion von Perowskit-Solarzellen in großem Maßstab sein könnte“, so der Forscher.

Quelle: Rui Wang (University of California, Los Angeles) et al., Joule, doi: 10.1016/j.joule.2019.04.005

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