Forscher machen großen Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Solarzellen der nächsten Generation

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Die Welt der Solarenergie ist bereit für eine Revolution. Wissenschaftler arbeiten hart daran, einen neuen Solarzellentyp zu entwickeln, der Materialien verwendet, die Strom effizienter umwandeln können als heutige Panels.

In einem neues Papier veröffentlicht am 26. Februar in der Zeitschrift Naturenergieein Forscher der CU Boulder, und seine internationalen Mitarbeiter stellten eine innovative Methode zur Herstellung der neuen Solarzellen, bekannt als Perowskitzellen, vor, eine Errungenschaft, die für die Kommerzialisierung dessen, was viele als die nächste Generation der Solartechnologie betrachten, von entscheidender Bedeutung ist.

Heutzutage bestehen fast alle Solarmodule aus Silizium und haben einen Wirkungsgrad von 22 %. Das bedeutet, dass Siliziumpaneele nur etwa ein Fünftel der Sonnenenergie in Strom umwandeln können, da das Material nur einen begrenzten Anteil der Wellenlängen des Sonnenlichts absorbiert. Auch die Herstellung von Silizium ist teuer und energieintensiv.

Geben Sie Perowskit ein. Das synthetische Halbleitermaterial hat das Potenzial, bei geringeren Produktionskosten wesentlich mehr Solarenergie umzuwandeln als Silizium.

„Perowskite könnten bahnbrechend sein“, sagte Michael McGehee, Professor am Department of Chemical and Biological Engineering und Fellow am Renewable & Sustainable Energy Institute der CU Boulder.

Wissenschaftler haben Perowskit-Solarzellen getestet, indem sie sie auf herkömmliche Siliziumzellen gestapelt haben, um Tandemzellen herzustellen. Durch die Schichtung der beiden Materialien, die jeweils einen anderen Teil des Sonnenspektrums absorbieren, kann die Effizienz der Module möglicherweise um über 50 % gesteigert werden.

„Wir erleben immer noch eine rasante Elektrifizierung, wobei immer mehr Autos mit Strom betrieben werden. Wir hoffen, mehr Kohlekraftwerke stilllegen zu können und schließlich Erdgaskraftwerke loszuwerden“, sagte McGehee. „Wenn Sie glauben, dass wir eine vollständig erneuerbare Zukunft haben werden, dann planen Sie, dass die Wind- und Solarmärkte im Vergleich zu heute um mindestens das Fünf- bis Zehnfache wachsen werden.“

Um dorthin zu gelangen, müsse die Industrie die Effizienz von Solarzellen verbessern, sagte er.

Eine große Herausforderung bei der Herstellung aus Perowskit im kommerziellen Maßstab ist jedoch das Aufbringen des Halbleiters auf die Glasplatten, die die Bausteine ​​der Panels bilden. Derzeit muss der Beschichtungsprozess in einer kleinen Box stattfinden, die mit nicht reaktivem Gas wie Stickstoff gefüllt ist, um zu verhindern, dass die Perowskite mit Sauerstoff reagieren, was ihre Leistung beeinträchtigt.

„Das ist in der Forschungsphase in Ordnung. Aber wenn man anfängt, große Glasstücke zu beschichten, wird es immer schwieriger, dies in einer mit Stickstoff gefüllten Box zu bewerkstelligen“, sagte McGehee.

McGehee und seine Mitarbeiter machten sich auf die Suche nach einem Weg, diese schädliche Reaktion mit der Luft zu verhindern. Sie fanden heraus, dass die Zugabe von Dimethylammoniumformiat (DMAFo) zur Perowskitlösung vor dem Beschichten die Oxidation der Materialien verhindern kann. Diese Entdeckung ermöglicht die Beschichtung außerhalb der kleinen Box, in der Umgebungsluft. Experimente zeigten, dass mit dem DMAFo-Additiv hergestellte Perowskit-Zellen allein einen Wirkungsgrad von fast 25 % erreichen können, vergleichbar mit dem aktuellen Effizienzrekord für Perowskit-Zellen von 26 %.

Der Zusatzstoff verbesserte auch die Stabilität der Zellen.

Kommerzielle Siliziumpaneele können in der Regel nach 25 Jahren noch mindestens 80 % ihrer Leistung beibehalten und verlieren dabei etwa 1 % an Effizienz pro Jahr. Perowskit-Zellen sind jedoch reaktiver und zersetzen sich an der Luft schneller. Die neue Studie zeigte, dass die mit DMAFo hergestellte Perowskitzelle 90 % ihrer Effizienz beibehielt, nachdem die Forscher sie 700 Stunden lang LED-Licht ausgesetzt hatten, das Sonnenlicht imitierte. Im Gegensatz dazu verschlechterten sich an der Luft ohne DMAFO hergestellte Zellen bereits nach 300 Stunden schnell.

Obwohl dies ein sehr ermutigendes Ergebnis sei, gebe es in einem Jahr 8.000 Stunden, stellte er fest. Daher sind längere Tests erforderlich, um festzustellen, wie sich diese Zellen im Laufe der Zeit behaupten.

„Es ist noch zu früh, um zu sagen, dass sie so stabil sind wie Siliziumpaneele, aber wir sind auf einem guten Weg dahin“, sagte McGehee.

Die Studie bringt Perowskit-Solarzellen der Kommerzialisierung einen Schritt näher. Gleichzeitig entwickelt McGehees Team aktiv Tandemzellen mit einem realen Wirkungsgrad von über 30 %, die die gleiche Lebensdauer wie Siliziumpaneele haben.

McGehee leitet eine US-amerikanische Partnerschaft zwischen Wissenschaft und Industrie namens Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites (TEAMUP). Zusammen mit Forschern von drei anderen Universitäten, zwei Unternehmen und einem nationalen Labor erhielt das Konsortium im vergangenen Jahr 9 Millionen US-Dollar Fördermittel vom US-Energieministerium, um stabile Tandem-Perowskite zu entwickeln, die in der realen Welt sinnvoll eingesetzt werden können und kommerziell rentabel sind. Ziel ist es, ein Tandem zu schaffen, das effizienter als herkömmliche Siliziumpaneele und über einen Zeitraum von 25 Jahren gleichermaßen stabil ist.

Mit höherer Effizienz und möglicherweise niedrigeren Preisen könnten diese Tandemzellen breitere Anwendungsmöglichkeiten als bestehende Siliziumpaneele haben, einschließlich der möglichen Installation auf den Dächern von Elektrofahrzeugen. Sie könnten die Reichweite eines Autos, das in der Sonne steht, um 15 bis 25 Meilen pro Tag erhöhen, genug, um den täglichen Arbeitsweg vieler Menschen zu bewältigen. Auch Drohnen und Segelboote könnten mit solchen Panels angetrieben werden.

Nach einem Jahrzehnt der Perowskit-Forschung haben Ingenieure Perowskit-Zellen gebaut, die genauso effizient sind wie Siliziumzellen, die vor 70 Jahren erfunden wurden, sagte McGehee. „Wir bringen Perowskite bis zur Ziellinie. Wenn Tandems gut funktionieren, haben sie sicherlich das Potenzial, den Markt zu dominieren und die nächste Generation von Solarzellen zu werden“, sagte er.

Mit freundlicher Genehmigung von Yvaine Ye & Universität von Colorado.