TU München und DLR testen organische und Perowskit-Solarzellen unter Weltraum-Bedingungen

Nahezu alle Satelliten beziehen ihren Strom aus Solarzellen. Doch die heute in der Raumfahrt verwendeten herkömmlichen Hochleistungszellen sind relativ schwer – sie wiegen ein Gramm pro bis zu drei Watt Leistung. Perowskit- und organische Hybridzellen könnten bezogen auf das Gewicht bis zu zehn Mal mehr Strom liefern. Doch wie verhalten sie sich unter den Extrembedingungen des Weltalls? Das hat nun erstmals ein Forscherteam der Technischen Universität München (TUM) und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) getestet.

Auf einem Forschungsflug im Rahmen der Kampagne MAPHEUS 8 auf der European Space and Sounding Rocket Range im schwedischen Kiruna haben die Wissenschaftler je zwei verschiedene Typen von organischen und Perowskit-Solarzellen unter Weltraumbedingungen erprobt. Die Rakete erreichte dabei eine Höhe von knapp 240 Kilometern.

„Mit unserem MAPHEUS-Programm haben wir die Möglichkeit, sehr zügig Experimente in die Schwerelosigkeit zu bringen und so zu vielversprechenden Forschungsergebnissen zu kommen“, sagt Professor Andreas Meyer, Direktor des DLR-Instituts für Materialphysik im Weltraum. „Dieses Mal ging es besonders schnell: Von der ersten Idee bis zum Flug der Solarzellen während der MAPHEUS 8-Kampagne verstrich weniger als ein Jahr.“

„Die elektrischen Messungen während des Fluges und die materialwissenschaftliche Auswertung nach Bergung der Rakete haben gezeigt, dass Perowskit- und organische Solarzellen ihr Potenzial hinsichtlich ihrer erwarteten Leistung in Umlaufbahnhöhe erreichen können“, sagt Peter Müller-Buschbaum, Professor für funktionelle Materialien im Physik-Department der TUM. Daher hätten die Messungen einen hohen wissenschaftlichen Wert.

Auch unter diffusem Lichteinfall erzeugten die Solarzellen elektrische Energie. „Sonnenabgewandte Zellen, die während des Fluges nur spärliche Beleuchtung ausschließlich von der Erde erhielten, lieferten dennoch Strom“, sagt Lennart Reb, Erstautor der Studie zu dem Forschungsprojekt. Aufgrund ihrer sehr viel geringeren Schichtdicke könnten die neuen Solarzellen daher auch bei schwachen Lichtverhältnissen eingesetzt werden, beispielsweise für Missionen ins äußere Sonnensystem, wo die Sonne für herkömmliche Weltraumsolarzellen zu schwach wird.

„Es wäre nicht das erste Mal, dass Innovationen sich zuerst als Weltraumtechnologien etablieren, bevor sie dann weltweit in anderen Bereichen angewendet werden“, so DLR-Forscher Meyer. Ein Grund dafür seien die sehr hohen Anforderungen, die der Weltraum an alle technischen Komponenten stellt.

Zehnmal leichter als konventionelle Zellen auf Siliziumbasis

Perowskit- und organische Solarzellen gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Generationen von Solarzellen. In den letzten Jahren haben ihre Wirkungsgrade rasch zu den konventionellen Solarzellen auf Siliziumbasis aufgeschlossen.

„Die besten Perowskit-Solarzellen erreichen derzeit Wirkungsgrade von 25 Prozent“, sagt Müller-Buschbaum. „Solche weniger als einen Mikrometer dünnen Solarzellen, aufgebracht auf ultradünnen, flexiblen Kunststofffolien, sind extrem leicht. Daher können diese Zellen eine Energieausbeute von knapp 30 Watt pro Gramm erreichen.“

Dies wird erst durch einen entscheidenden Vorteil der neuen Solarzellen möglich: Während die Herstellung von Silizium-Solarzellen sehr hohe Temperaturen und viele Prozessschritte erfordert, lassen sich Perowskit-Zellen und organische Halbleiter bei Raumtemperatur und aus einer Lösung heraus herstellen.