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Photovoltaik : Mehr Solarpower im Weltraum

Start von Marpheus-8 am frü­hen Mor­gen des 13. Juni 2019 vom Startplatz im schwedischen Kiruna. Bild: DLR

Organische und Perowskit-Solarzellen gelten als Hoffnungsträger in der Photovoltaik. Sie sind effizient und günstig herzustellen und könnten bald auch Satelliten mit Solarstrom versorgen. Der ersten Testflug ins All war bereits ein Erfolg.

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          Eine ungewöhnliche Fracht hatte die Forschungsrakete „Mapheus-8“ des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) an Bord, als sie am 13. Juni 2019 in Nordschweden zu ihrem rund achtminütigen Parabelflug ins All startete. Während üblicherweise biologische Proben, Flüssigkeiten und spezielle Werkstoffe in den Weltraum transportiert werden, um deren Verhalten in Schwerelosigkeit und unter kosmischer Strahlung zu testen, bildete dieses Mal ein Satz neuartiger Solarzellen einen Teil der Nutzlast. Forscher von der Technischen Universität München wollten gemeinsam mit Kollegen des DLR testen, ob organische und sogenannte Perowskit-Solarzellen der Anwendung im Weltraum in gleicher Weise gewachsen sind wie die kristallinen Solarzellen aus Silizium, die seit Jahrzehnten die Stromversorgung vieler Satelliten und Raumsonden sicherstellen. In der Zeitschrift „Joule“ präsentieren die Wissenschaftler um Peter Müller-Buschbaum nun die Messergebnisse. Ihr Fazit: Die organischen und Perowskit-Solarzellen, die leichter sind sowie einfacher und kostengünstiger hergestellt werden können als die Silizium-Stromquellen, haben den Testflug mit Bravour bestanden.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Solarzellen, oft in Gestalt von großflächigen Solarpaneelen, gehören seit dem Start des ersten mit einer „Sonnenbatterie“ ausgerüsteten amerikanischen Satelliten („Vanguard 1“) im Jahr 1958 zur Standardausrüstung der meisten Raumfahrzeuge. Doch die gebräuchlichen Solarzellen aus kristallinem Silizium oder Hochleistungs-Dünnschichtzellen sind teuer und vergleichsweise schwer, wodurch sie das ohnehin schon hohe Startgewicht der Trägerrakete weiter erhöhen.

          Testflug in den Weltraum

          Deshalb sucht man schon seit längerem nach günstigerem und leichterem photovoltaischem Ersatz. Als vielversprechende Kandidaten gelten Solarzellen aus halbleitenden Kohlenwasserstoff-Verbindungen sowie aus sogenannten Perowskiten. Dabei handelt es sich um kristalline anorganische Materialien, die die gleiche kubische Kristallstruktur aufweisen wie das Mineral Kalziumtitanat. In den vergangenen Jahren konnten die Wirkungsgrade von beiden Stromquellen schrittweise erhöht werden. So liegt die Effizienz der besten organischen Solarzellen bei mittlerweile 17 Prozent, die der leistungsfähigsten Perowskit-Moldule sogar bei 25 Prozent. Letztere reichen damit schon fast an die leistungsfähigsten einkristallinen Silizium-Solarzellen heran, die rund 27 Prozent des Sonnenlichts anzapfen können. Für Silizium ist damit allerdings schon fast das Ende der Fahnenstange erreicht. Das theoretische Maximum liegt bei 29 Prozent. Einen Wirkungsgrad von mehr als 40 Prozent erreichen Mehrschicht-Solarzellen aus Elementen der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems. Allerdings ist ihre Herstellung aufwendig und daher noch immer sehr teuer.

          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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