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.
