Neue Solarzellen aus Linz zeigen Potenzial bei Tests im All

Anfang 2023 startete die Satellitenmission "Space Solar Power Demonstrator One" (SSPD-1) mit einem Transporter der Firma SpaceX von den USA aus in eine Erdumlaufbahn. In einem niedrigen Orbit umrundete die federführend vom California Institute of Technology (Caltech) entwickelte Sonde einige Monate lang den Planeten. Mit an Bord waren u.a. auch in Linz angefertigte und entwickelte Perowskit-Solarzellen. In Kooperation mit Caltech-Forschenden und Kolleginnen und Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Berlin stellt das Team um Kaltenbrunner nun im Fachjournal "Advanced Materials" die Erkenntnisse aus diesem ersten echten Weltall-Langzeittest für die vielversprechenden Energieerzeuger vor.

Einer der Co-Autoren der aktuellen Arbeit, Stepan Demchyshyn, absolvierte vor einigen Jahren einen Forschungsaufenthalt an der Caltech, wo damals vielversprechende Materialien für Solarzellen, die im All einsetzbar sind, erforscht wurden. "Es war quasi ein glücklicher Zufall, dass wir mit unseren Solarzellen bei dieser Mission mitmachen durften", sagte Kaltenbrunner. Und: Die Tests haben gut funktioniert.

Bis auf vereinzelte Versuche mit Ballons, die recht hoch steigen können, wurde diese "relativ neuartige Technologie" noch nie in derartigen Umgebungen untersucht. Perowskit-Solarzellen werden aktuell als kostengünstige Alternative zur herkömmlichen PV-Technik diskutiert - auch im Zusammenhang mit der Raumfahrt. Der Grund liegt darin, dass man mit Perowskit mittlerweile in ähnliche Effizienz-Sphären wie bei Silizium-basierten Solarzellen kommt. In etwa ein Viertel der einfallenden Energie könne in elektrischen Strom umgewandelt werden, erklärte Kaltenbrunner. Allerdings sind Perowskit-Zellen "wesentlich günstiger in der Herstellung. Man kann sie wesentlich dünner und dementsprechend auch leichter machen, als das bei Silizium jemals möglich sein wird", so der Materialwissenschafter von der Abteilung Physik der Weichen Materie und dem "LIT Soft Materials Lab" der Uni Linz.

Schadstellen schaden Perowskit-Solarzellen kaum

In der Raumfahrt, wo jedes eingesparte Kilogramm an Startgewicht zählt, ist der Bedarf an neuen Materialien entsprechend hoch. Für die allermeisten Raumsonden ist Solarenergie die einzig sinnvolle Form der Energiegewinnung im All. Noch dazu zählen neue Internet-Satellitenkonstellation, wie etwa "Starlink", im erdnahen Bereich manchmal hunderte bis tausende einzelne Mitglieder, die alle mit Solarzellen ausgestattet werden müssen.

Dazu kommt, dass Silizium "sehr anfällig für Defekte" in seiner Struktur ist. Das heißt, dass Schadstellen im Material die Leistung massiv reduzieren können. Durch hochenergetische Teilchen wie Protonen im All könne es recht schnell zu solchen Fehlern kommen, erklärte Kaltenbrunner: "Das ist bei Perowskit-Solarzellen genau nicht der Fall. Sie haben von vornherein schon sehr viele Schadstellen. Das macht ihnen aber nichts."

Warum diese Kristallstrukturen auch gut Sonnenenergie in Elektrizität umwandeln können, wenn sie mit "Fehlern" durchsetzt sind, konnten erst vor wenigen Tagen Dmytro Rak und Zhanybek Alpichshev vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in Klosterneuburg (NÖ) in einer Arbeit im Fachjournal "Nature Communications" näher aufklären. Der Analyse nach sind es just die Strukturdefekte und Fehlstellen, die in den Kristallen den Transport elektrischer Ladungen über längere Strecken hinweg erst effizient ermöglichen.

Erstaunliche Strahlungsresistenz

Wie resistent die neuartigen Solarzellen gegenüber der kosmischen Strahlung tatsächlich sind, konnten nun die Auswertungen des Teams um die Linzer Gruppe auf Basis der SSPD-1-Daten und durch Protonen-Beschuss der Kristallstrukturen zu ebener Erde in Deutschland zeigen. Die Effizienz der Solarzelle leidet demnach kaum: Einem Protonen-Strahl ausgesetzt, dessen Intensität in etwa 50 Jahren im All entspricht, macht den Zellen in ihrer ultraleichten und flexibelsten Variante kaum etwas aus. Sie hatten nach dem Versuch noch etwa 92 Prozent ihrer Leistungsfähigkeit.

Im All machte auch die auf Glas aufgebrachte Variante gute Figur: Rund 100 Tage nach dem Start, begann eine 44-tägige Messphase, in der die Zellen Temperaturen zwischen minus 25 und plus 35 Grad Celsius ausgesetzt waren und ungefähr 1.600 Erdumrundungen mitmachten. Die Leistung lag danach immer noch bei rund 80 Prozent des Ausgangswertes, heißt es in der Publikation.

"Inspirierende" Forschung mit Blick ins All

Die Möglichkeiten, die das Material bietet, seien jedenfalls vielfältig. "Unsere Spezialität ist, die Zellen dünn und flexibel zu machen. Der Vorteil liegt auf der Hand: Man kann sie hübsch zusammenrollen und erst dann vor Ort - also im Weltall - ausbreiten", so Kaltenbrunner.

Die Auseinandersetzung mit Perowskit im Zusammenhang mit Weltraumtechnik werde momentan sehr aktiv betrieben - auch in Europa. Es seien zwar noch viele Details offen, die neuen, ersten Ergebnisse direkt aus dem All würden das Potenzial aber zeigen. "Die Weltraumanwendungen sind natürlich ein bisschen auch ein Kindheitstraum bzw. etwas, das sehr inspirierend ist", betonte Kaltenbrunner, selbst wenn der Aufwand für derartige Projekte und Missionen "massiv" sei.

(S E R V I C E - Die Linzer Studie online: https://doi.org/10.1002/adma.202520433 ; ISTA-Forscher in "Nature Communications": https://doi.org/10.1038/s41467-026-68660-5 )