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Perowskit-Solarzellen gelten als flexible und nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Solarzellen auf Siliziumbasis. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gehören zu einem internationalen Team, das innerhalb weniger Wochen neue organische Moleküle gefunden hat, mit denen sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen steigern lässt. Das Team kombinierte dabei geschickt den Einsatz von KI mit vollautomatischer Hochdurchsatz-Synthese. Die entwickelte Strategie ist auf andere Bereiche der Materialforschung übertragbar, etwa auf die Suche nach neuen Batteriematerialien.

Wer unter 1 000 000 Molekülen jene herausfinden will, die als Leiter positiver Ladung Perowskit-Solarzellen besonders effizient machen, muss diese Million Moleküle herstellen und testen – oder so vorgehen, wie es Forschende rund um Tenure-Track-Professor Pascal Friederich vom Institut für Nanotechnologie des KIT und Professor Christoph Brabec vom HI-ERN und getan haben. »Mit nur 150 gezielten Experimenten konnte ein Durchbruch erzielt werden, der sonst Hunderttausende von Tests erfordert hätte. Der entwickelte Workflow eröffnet neue Möglichkeiten für die schnelle und kosteneffiziente Entdeckung leistungsstarker Materialien in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern«, sagt Brabec. Mit einem der so entdeckten Materialien steigerten sie den Wirkungsgrad einer Referenz-Solarzelle um rund zwei Prozent auf 26,2 Prozent. »Dieser Erfolg zeigt, dass man bei der Entwicklung neuer Energiematerialien mit einer geschickten Strategie enorm Zeit und Ressourcen einsparen kann«, so Friederich.

Ausgangspunkt am HI-ERN war eine Datenbank mit den Strukturformeln von rund einer Million virtuellen Moleküle, die aus handelsüblichen Substanzen herstellbar wären. Von 13 000 dieser virtuellen Moleküle, nach dem Zufallsprinzip ausgelesen, berechneten die Forschenden am KIT mit etablierten quantenmechanischen Methoden Energieniveaus, Polarität, Geometrie und andere Merkmale.

KI-Training mit Daten von nur 101 Molekülen

Aus diesen 13 000 Molekülen wählten die Forschenden wiederum 101 Moleküle aus, die sich in ihren Merkmalen möglichst stark unterschieden. Diese wurden am HI-ERN mit Hilfe eines Robotersystems automatisch hergestellt und damit ansonsten baugleiche Solarzellen gefertigt. Anschließend maßen sie deren Wirkungsgrad. »Für den Erfolg unserer Strategie war entscheidend, dass wir dank unserer hochautomatisierten Syntheseplattform wirklich vergleichbare Proben erzeugten und somit verlässliche Werte für den Wirkungsgrad ermittelten«, sagt Christoph Brabec, der die Arbeiten am HI-ERN leitete.

Mit den erzielten Wirkungsgraden und den Merkmalen der zugehörigen Moleküle trainierten die Forschenden des KIT ein KI-Modell. Das Modell schlug dann weitere 48 Moleküle zur Synthese vor, basierend auf zwei Kriterien: ein erwartender hoher Wirkungsgrad und unvorhersehbare Eigenschaften. »Wenn sich das Machine-Learning-Modell bei der Prognose des Wirkungsgrades unsicher ist, lohnt es sich, das Molekül herzustellen, um es näher zu untersuchen«, erklärt Pascal Friederich das zweite Kriterium. »Es könnte mit einem hohen Wirkungsgrad überraschen.«

Tatsächlich ließen sich mit den von der KI vorgeschlagenen Molekülen überdurchschnittlich effiziente Solarzellen bauen, darunter auch solche, die modernste andere Materialien übertreffen. »Wir können nicht sicher sein, wirklich das Beste unter einer Million Moleküle gefunden zu haben, aber wir sind ganz gewiss nahe am Optimum«, sagt Friederich, Tenure-Track-Professor für künstliche Intelligenz in der Materialwissenschaft.

KI versus chemische Intuition

Die Forschenden können die Molekülvorschläge der KI in gewissem Ausmaß nachvollziehen, da die verwendete KI angibt, welche Merkmale der virtuellen Moleküle für ihre Vorschläge ausschlaggebend waren. Es zeigte sich, dass sich die KI-Vorschläge teilweise auch auf Merkmale stützten, z.B. das Vorhandensein bestimmter chemischer Gruppen wie Amine, die Chemiker bisher weniger beachtet hatten.

Christoph Brabec und Pascal Friederich sind überzeugt, dass ihre Strategie vielversprechend für die Materialforschung auch in anderen Anwendungsbereichen ist oder auf die Optimierung ganzer Bauelemente ausgeweitet werden kann.

Die Forschungsergebnisse, die in Zusammenarbeit mit Forschenden der Universität Erlangen-Nürnberg, des südkoreanischen Ulsan National Institute of Science, der chinesischen Xiamen University und der University of Electronic Science and Technology in Chengdu, China, entstanden sind, wurden kürzlich im renommierten Journal »Science« veröffentlicht. (ffr)

Originalpublikation

Jianchang Wu, Luca Torresi, ManMan Hu, Patrick Reiser, Jiyun Zhang, Juan S. Rocha-Ortiz, Luyao Wang, Zhiqiang Xie, Kaicheng Zhang, Byung-wook Park, Anastasia Barabash, Yicheng Zhao, Junsheng Luo, Yunuo Wang, Larry Lüer, Lin-Long Deng, Jens A. Hauch, Dirk M. Guldi, M. Eugenia Pérez-Ojeda, Sang Il Seok, Pascal Friederich, Christoph J. Brabec: Inverse design of molecular hole-transporting semiconductors tailored for perovskite solar cells. Science, 2024. DOI 10.1126/science.ads0901.

Eines aus einer Million: Künstliche Intelligenz hilft Forschenden bei der Suche nach neuen Materialien für hocheffiziente Solarzellen. (Foto: Kurt Fuchs/HI ERN)

Wie funktionieren Perowskit-Solarzellen?

Perowskit-Solarzellen sind eine vielversprechende Technologie in der Photovoltaik, die auf Materialien mit einer Perowskit-Kristallstruktur basieren. Diese Materialien haben eine besondere Kristallstruktur, die ihnen hervorragende optische und elektronische Eigenschaften verleiht. Hier ist eine kurze Übersicht darüber, wie sie funktionieren und was sie auszeichnet:

Materialstruktur: Perowskit-Solarzellen verwenden Materialien, die eine spezielle Kristallstruktur haben, bekannt als Perowskit-Struktur. Diese Struktur ermöglicht eine hohe Lichtabsorption und effiziente Ladungstrennung.
Funktionsweise: Wenn Licht auf die Perowskit-Schicht trifft, werden Elektronen angeregt und erzeugen Elektronen-Loch-Paare. Diese Paare werden dann durch die verschiedenen Schichten der Solarzelle getrennt und erzeugen einen elektrischen Strom.
Effizienz: Perowskit-Solarzellen haben das Potenzial, sehr hohe Wirkungsgrade zu erreichen. In Laborversuchen wurden bereits Wirkungsgrade von über 30 % erzielt.
Flexibilität und Kosten: Diese Solarzellen können auf flexiblen Substraten hergestellt werden und sind potenziell kostengünstiger als herkömmliche Silizium-Solarzellen, da sie weniger Material und Energie für die Produktion benötigen.
Herausforderungen: Eine der größten Herausforderungen bei Perowskit-Solarzellen ist ihre Haltbarkeit. Sie sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Hitze und Licht, was ihre Lebensdauer verkürzt. Forscher arbeiten jedoch daran, diese Probleme zu lösen und die Stabilität der Zellen zu verbessern.

Perowskit-Solarzellen bieten eine spannende Möglichkeit, die Effizienz und Kosteneffektivität der Solarenergie zu steigern. Ihre Entwicklung könnte einen bedeutenden Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leisten.

Genki Absmeier

Das Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) erforscht und entwickelt material- und prozessbasierte Lösungen für eine klimaneutrale, nachhaltige und kostengünstige Nutzbarmachung erneuerbarer Energien. Thematische Schwerpunkte des Instituts sind die Erforschung der elektrochemischen Energieumwandlung zur Entwicklung innovativer Wasserstofftechnologien sowie solare Technologien.

Das HI ERN bildet das Kernstück einer engen Partnerschaft zwischen dem Forschungszentrum Jülich, dem Helmholtz Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg. Ziel der Kooperation ist es, die exzellente Material-, Energie- und Prozessforschung der Partnerinstitutionen eng zu verknüpfen. Die Zusammenarbeit der Partner bezieht sich auf die Bereiche innovative Materialien und Prozesse für photovoltaische Energiesysteme und Wasserstoff als Speicher- und Trägermedium für CO2-neutral erzeugte Energie. Das HI ERN leistet durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende.

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