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Photovoltaik : Mehr Solarpower im Weltraum

Das Nutzlastmodul „Organic and Hybrid Solar Cells In Space“ mit den organischen und Perowskit-Solarzellen vor dem Start von Mapheus-8.
Das Nutzlastmodul „Organic and Hybrid Solar Cells In Space“ mit den organischen und Perowskit-Solarzellen vor dem Start von Mapheus-8. : Bild: TUM

Perowskit-Zellen haben wie ihre organischen Pendants den entscheidenden Vorteil, dass sie sich durch Bedampfen, Drucken oder aus einer Lösung heraus als extrem dünne Schichten auf große Oberflächen dünn auftragen lassen. Man benötigt deshalb im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen aus kristallinem Silizium nur wenig Material, entsprechend gering ist das Gewicht. „Solche weniger als einen Mikrometer dünnen Solarzellen, aufgebracht auf ultradünnen, flexiblen Kunststofffolien, sind extrem leicht. Diese Zellen können eine Energieausbeute von knapp 30 Watt pro Gramm erreichen“, sagt Peter Müller-Buschbaum. Etwas geringer fällt die spezifische Energieausbeute bei den organischen Solarzellen aus. Hier liegt der Laborwert bei zehn Watt pro Gramm. Zum Vergleich: Eine Siliziumzelle bringt es nur auf ein Watt pro Gramm, die besten III-V-Dünnschicht-Solarzellen erzielen drei Watt pro Gramm.

Bislang fehlte allerdings noch der Beweis, dass organische und Perowskit-Solarzellen auch für den Einsatz im Weltraum taugen, also auch bei hoher Strahlenbelastung, unter extremen Temperaturschwankungen und im Vakuum funktionieren. Fraglich war auch, ob die Module den mechanischen Belastungen eines Raketenstarts gewachsen sind. Bedingungen, die im Labor nur schwer simuliert werden können.

Strom unter diffusem Lichteinfall

Antworten erhofften sich die Münchner Forscher um Müller-Buschbaum vom Testflug mit der Forschungsrakete „Mapheus-8“ im vergangen Jahr. Je zwei verschiedene Typen von organischen und Perowskit-Solarzellen waren an der Außenseite der Rakete installiert. Der Start erfolgte vom Startplatz Esrange aus, unweit der nordschwedischen Stadt Kiruna. Die Rakete erreichte nach vier Minuten eine Höhe von 250 Kilometern. Länger als sechs Minuten verweilte Mapheus-8 in der Schwerelosigkeit. Nach Wiedereintritt in die Erdatmosphäre landeten die wissenschaftlichen Experimente darunter der Raketenabschnitt mit den Solarzellen und den Messgeräten an einem Fallschirm wohlbehalten auf der Erde.

Graphische Darstellung des Parabelflugs der Forschungsrakete Mapheus-8. Zu sehen sind die Solarzellen in einem Nutzlastmodul der Rakete (links).
Graphische Darstellung des Parabelflugs der Forschungsrakete Mapheus-8. Zu sehen sind die Solarzellen in einem Nutzlastmodul der Rakete (links). : Bild: TUM, Reb et al.

Während des gesamten Flugs wurden Winkel und Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung sowie die Strom-Spannungs-Kennlinien der Solarzellen gemessen. Die von Müller-Buschbaum und seinen Kollegen ausgewerteten Daten zeigen, dass die getesteten Solarzellen nicht nur den harschen Bedingungen des Weltraums trotzten. Sie erzielten während des Fluges fast die gleiche Leistungsfähigkeit, die die Wissenschaftler kurz nach der Herstellung der Zellen im Labor gemessen hatten. So beliefen sich die Energieausbeuten der besten organischen Solarzellen auf sieben Watt pro Gramm, die der Perowskit-Solarzellen auf 14 Watt pro Gramm.

Aufgrund der dünnen Bauweise produzierten die Solarzellen auch unter diffusem Lichteinfall einen messbaren Strom. So erzeugten sonnenabgewandte Zellen, die während des Fluges nur spärliche Licht von der Erde erhielten, elektrische Energie. Nach Ansicht der Forscher könnten die neuen Solarzellen daher auch bei schwachen Lichtverhältnissen eingesetzt werden, beispielsweise für Missionen ins äußere Sonnensystem, wo die Sonneneinstrahlung für herkömmliche Weltraumsolarzellen zu schwach wird. Doch bis erste Satelliten oder Raumsonden ihren Strom von organischen oder Perowskit-Solarzellen erhalten, bedarf es weiterer Tests. Die Zellen müssen viele Monate lang im Weltraum etwa an Bord der Internationalen Raumstation auf Herz und Nieren geprüft werden.

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