Solarzellen altern. Das ist bekannt. Ultraviolette Strahlung aus dem Sonnenlicht greift über Jahre hinweg ihre Oberfläche an und senkt die Leistung. Was Fachleute ebenfalls seit Langem beobachten: Ein Teil dieser Verluste verschwindet wieder, sobald die Module im normalen Betrieb weiter Sonnenlicht ausgesetzt sind. Bisher ließ sich dieser Effekt jedoch nur elektrisch messen. Was im Material selbst passiert, blieb unklar. Genau hier setzt eine neue Studie von Forschenden der UNSW Sydney an.
Das Team zeigt erstmals direkt, dass sich bestimmte UV-Schäden in Silizium-Solarzellen auf atomarer Ebene zurückbilden. Nicht als rechnerischer Effekt. Sondern als messbare Veränderung der chemischen Bindungen im Material. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht.
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Alterung unter UV-Licht – ein bekanntes, aber schlecht verstandenes Problem
Silizium-Solarzellen verlieren im Laufe ihrer Lebensdauer an Wirkungsgrad. Einer der Gründe ist die sogenannte UV-induzierte Degradation, kurz UVID. Ultraviolette Strahlung verändert dabei die chemische Struktur nahe der Zelloberfläche. Frühere Studien zeigen, dass beschleunigte UV-Tests über 2000 Stunden Leistungsabfälle von bis zu 10 % verursachen können.
In der Praxis ist das Bild komplexer. Viele Zellen gewinnen im normalen Betrieb wieder einen Teil ihrer Leistung zurück. Diese Erholung ließ sich bisher nur über Strom- und Spannungsmessungen erfassen. Ob sich das Material selbst repariert oder lediglich elektrische Effekte überlagern, blieb offen.
Blick ins Innere der arbeitenden Solarzelle
Das Team um Scientia-Professorin Xiaojing Hao entwickelte eine Methode, mit der sich genau diese Lücke schließen lässt. Die Forschenden überwachen Solarzellen während des Betriebs auf mikroskopischer Ebene. Ohne sie zu beschädigen.
Zum Einsatz kommt Ultraviolett-Raman-Spektroskopie. Dabei wird das Material mit einem Laser angeregt. Das gestreute Licht trägt Informationen über molekulare Schwingungen. Daraus lassen sich chemische Bindungen und ihre Veränderungen ablesen. Entscheidend ist: Die Messung funktioniert direkt an funktionsfähigen Solarzellen unter realistischen Bedingungen.
„Diese Technik funktioniert ähnlich wie eine Kamera. Anstatt nur zu messen, wie viel Strom die Zelle produziert, können wir direkt in Echtzeit sehen, wie sich das Material selbst verändert, erläutert Dr. Ziheng Liu, einer der Autoren der Studie.
Was UV-Strahlung im Material anrichtet
Die Messungen zeigen, was bisher nur vermutet wurde. UV-Licht verändert Bindungen zwischen Wasserstoff-, Silizium- und Boratomen nahe der Oberfläche. Diese Region ist für die sogenannte Passivierung entscheidend. Sie verhindert, dass elektrische Ladungen verloren gehen.
Unter UV-Belastung lösen sich bestimmte Bindungen. Die Oberflächenqualität sinkt. Die Leistung geht zurück. Neu ist: Die Forschenden konnten diese Prozesse direkt beobachten, während sie abliefen.
Erholung durch sichtbares Licht
Noch spannender ist der zweite Teil der Beobachtung. Wird die belastete Zelle anschließend normalem sichtbarem Licht ausgesetzt, kehren sich viele dieser Veränderungen um. Wasserstoffatome wandern zurück an die Oberfläche. Zuvor geschwächte Bindungen bilden sich neu.
„Dies bestätigt, dass die Erholung nicht nur ein elektrischer Effekt ist“, sagt Dr. Liu. „Das Material selbst repariert sich auf atomarer Ebene.“ Damit liegt erstmals ein direkter Materialbeweis für einen Effekt vor, den die Branche bisher nur indirekt kannte.
Folgen für Tests, Normen und Zertifizierung
Die Erkenntnisse haben praktische Konsequenzen. Solarmodule werden heute mit beschleunigten Alterungstests zertifiziert. Dabei simulieren hohe UV-Dosen innerhalb kurzer Zeit jahrelangen Betrieb im Freien. Wenn sich ein Teil der UV-Schäden unter realen Bedingungen jedoch wieder zurückbildet, können solche Tests den tatsächlichen Leistungsverlust überschätzen.
Die neue Methode erlaubt es, zwischen dauerhaften und reversiblen Veränderungen zu unterscheiden. Das ist entscheidend für realistische Lebensdauerprognosen.
„Dieser Ansatz hilft, zwischen echter langfristiger Degradation und reversiblen Veränderungen zu unterscheiden“, so Dr. Liu. „Diese Unterscheidung ist für eine genaue Lebensdauerprognose unerlässlich.“
Vorteil für die Fertigung
Auch für Hersteller ist das Verfahren interessant. Klassische UV-Tests dauern Tage oder Wochen und erfordern oft zerstörende Analysen. Die Raman-Methode liefert Ergebnisse in Sekunden. Und sie lässt die Zelle unversehrt.
Damit eignet sie sich für schnelle Materialvergleiche, Prozessoptimierung und potenziell auch für die Inline-Qualitätskontrolle in der Produktion. Designentscheidungen wie die Dicke von Passivierungsschichten oder Oberflächenbeschichtungen lassen sich gezielt bewerten.
Die Studie zeigt zudem, dass eine Zelle mit temporärer Degradation und anschließender Erholung über ihre Lebensdauer hinweg besser abschneiden kann als eine Konstruktion, die von Beginn an auf maximale UV-Stabilität ausgelegt ist.
„Diese Arbeit gibt uns ein klareres Bild davon, wie sich Solarzellen in der Praxis verhalten“, sagt Prof. Hao. „Mit besseren Überwachungsinstrumenten können wir bessere Tests, bessere Module und letztlich zuverlässigere Solarenergiesysteme entwickeln.“
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