Nun wollen sie den Klimawandel auch noch mit Kaffee bekämpfen, oder was? So dumm ist das vielleicht gar nicht, unseren Politikern genug Koffein zu verpassen, damit sie die Energiewende nicht verschlafen. Aber Spaß beiseite, denn mit dem Wachmacher lässt sich in der Tat der Wirkungsgrad und die Stabilität von Perowskit-Solarschichten verbessern.
Vor Kurzem haben wir darüber in unserem Artikel „Werden unsere Gebäude bald selbst Strom erzeugen?“ berichtet. Caesium-Perowskit ist der große Hoffnungsträger, weil damit beschichtete Fenster, Häuserfassaden und Straßenbelege fast unbegrenzt elektrische Energie liefern könnten, wäre da nicht diese Einschränkung hinsichtlich der Stabilität der Perowskit-Schichten. Doch mit einer Tasse Kaffee geht ja bekanntlich alles besser.
Durch den Zusatz von Koffein werden Dünnschicht-Solarzellen aus Perowskit leistungsfähiger und haltbarer. Bereits bei einer Zugabe von nur einem Prozent ändert sich die die Kristallstruktur und damit auch das elektrochemische Verhalten nachhaltig. Der Wirkungsgrad beim lichtelektrischen Effekt erhöht sich dadurch auf über 20 Prozent (schon fast das Niveau von Silizium-Zellen) und die Kristallstruktur überlebt noch eine Temperatur von 85 Grad Celsius.
Damit werden die kostengünstigen Solarzellen aus Perowskit zur vielversprechenden Energiequelle der Zukunft. So ein kristalliner Dünnfilm kann recht einfach durch Abscheiden aus einer Lösung oder Aufdampfen hergestellt werden. Das Problem besteht jedoch darin, dass Perowskit zu schnell durch Hitze, UV-Licht und Feuchtigkeit zerstört wird.
Gute Ideen kommen immer beim Kaffeetrinken
Rui Wang und sein Team von der „University of California“ in Los Angeles beschäftigen sich seit Jahren mit diesem Thema und suchen händeringend nach einem kostengünstigen Verfahren, um die intrinsische thermische Instabilität der Perowskit-Solarzellen in den Griff zu kriegen. Versucht wurde dazu schon vieles, so zum Beispiel bei der Zellarchitektur oder mit ganz speziellen Schutz-Beschichtungen. Doch jetzt zeichnet sich eine Lösung ab, die wohl der Philosophie „Das Geniale liegt im Einfachen“ folgen mag. Eigentlich sollte es nur ein Scherz sein, als Wang während einer Teambesprechung plötzlich sagte: „Wenn wir unsere Leistungsfähigkeit steigern wollen, trinken wir Kaffee. Warum klappt das eigentlich nicht bei den Perowskiten?“
Wundersame Wirkung des Koffeins auf Kristalle
Was da so daher gesagt wurde, ist chemisch nicht einmal abwegig. Das Koffeinmolekül enthält zwei Carboxylgruppen, also zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen. Man weiß inzwischen von der Wechselwirkung zwischen Perowskit und Carboxyl und einem damit verbundenen positiven Effekt. Theoretisch könnte also Koffein tatsächlich irgendeine Wirkung entfalten, aber so richtig ausprobiert hatte es bis dato noch niemand.
Gesagt – getan
Der Ausgangslösung für die Perowskitschicht wurden flugs bis zu zwei Gewichtprozent Koffein zugesetzt. Es folgten verschiedene spektroskopische und mikroskopische Analysen an dem fertigen Dünnfilm. Die Perowskitkristalle waren tatsächlich geordneter und größer geworden, weil der Einbau von Koffein das Wachstum der Perowskit-Körner befördert. Zugleich verbesserte sich dadurch der Ladungstransport.
Im nächsten Schritt wurde der Perowskit-Dünnfilm unter anderem mit Indiumzinnoxid (ITO) kombiniert und so zu Photovoltaik-Zellen umfunktioniert. Es zeigte sich nun, dass der Koffein-Zusatz die Leistung der Solarzellen deutlich verbessert hat. Der Wirkungsgrad erreichte in diesem Test 20,25 Prozent, deutlich mehr als bei den Vergleichszellen ohne Koffein und in etwa ebenso viel wie bei Silizium-Solarzellen. Diese wohltuenden Ergebnisse überraschten sogar die Forscher.
Sogar die Hitzebeständigkeit besserte sich deutlich. Selbst nach 1.300 Stunden Wärmebehandlung bei 85 Grad Celsius hat die Koffein-Solarzelle nur 14 Prozent ihres ursprünglichen Wirkungsgrades eingebüßt. Kontroll-Solarzellen ohne Koffein verloren bereits nach 175 heißen Stunden ungefähr 40 Prozent ihres Wirkungsgrades. Die Forscher führen die stabilisierenden Wirkungen auf die C=O Gruppen im Koffein zurück. Die Interaktion mit dem Carboxyl gleicht einem molekularen Schloss, welches die thermisch induzierte Dekomposition weitgehend unterbindet.
Prima Zukunftsaussichten
Die Wissenschaftler gehen nun davon aus, dass der Zusatz von Koffein zur baldigen Marktreife der Perowskit-Solarzellen beiträgt. Das Koffein sorgt beim Perowskit für hohe Kristall-Reinheit, für weniger kristalline Defekte und für deutlich verbesserte Stabilität. Darüber hinaus wird dadurch sogar die Herstellung der Perowskitfilme erleichtert. Alles zusammen ist der Schritt in die richtige Richtung, nämlich hin zur baldigen Massenproduktion von Perowskit-Solarzellen.