Forscher von Princeton Engineering haben die erste Perowskit-Solarzelle mit einer wirtschaftlich tragfähigen Lebensdauer entwickelt, was einen wichtigen Meilenstein für eine aufstrebende Klasse von Technologien für erneuerbare Energien darstellt. Das Team geht davon aus, dass ihr Gerät etwa 30 Jahre lang über den Industriestandards liegen kann, weit mehr als die 20 Jahre, die als Schwelle für die Lebensfähigkeit von Solarzellen gelten.
Xiaoming Zhao, Postdoktorandin am Department of Chemical and Biological Engineering, inspiziert am 7. Juni 2022 Perowskite im Loo Lab. Die Betrachtung einer hochstabilen Perowskit-Solarzelle unter Vergrößerung während eines beschleunigten Alterungsprozesses hilft Forschern, die verlängerte Lebensdauer von fortschrittlichen Zellen vorherzusagen Entwürfe. Foto von Bumper DeJesus via Princeton Universität.
Das Gerät ist nicht nur sehr langlebig, sondern erfüllt auch gängige Effizienzstandards. Es ist das erste seiner Art, das mit der Leistung von siliziumbasierten Zellen mithalten kann, die seit ihrer Einführung im Jahr 1954 den Markt dominiert haben.
Perowskite sind Halbleiter mit einer speziellen Kristallstruktur, die sie für die Solarzellentechnologie gut geeignet macht. Sie können bei Raumtemperatur hergestellt werden und verbrauchen viel weniger Energie als Silizium, wodurch sie billiger und nachhaltiger in der Herstellung sind. Und während Silizium steif und undurchsichtig ist, können Perowskite flexibel und transparent gemacht werden, wodurch die Solarenergie weit über die ikonischen Paneele hinausgeht, die Hügel und Dächer in ganz Amerika bevölkern.
Aber im Gegensatz zu Silizium sind Perowskite notorisch zerbrechlich. Frühe Perowskit-Solarzellen (PSC), die zwischen 2009 und 2012 hergestellt wurden, hielten nur wenige Minuten. Die prognostizierte Lebensdauer des neuen Geräts stellt eine Verfünffachung des vorherigen Rekords dar, der 2017 von einem PSC mit niedrigerem Wirkungsgrad aufgestellt wurde. (Dieses Gerät wurde ein Jahr lang unter kontinuierlicher Beleuchtung bei Raumtemperatur betrieben. Das neue Gerät würde fünf Jahre unter ähnliche Laborbedingungen.)
Das Princeton-Team, angeführt von Lynn LooTheodora D. ’78 und William H. Walton III ’74 Professor für Ingenieurwissenschaften, enthüllten ihr neues Gerät und ihre neue Methode zum Testen in a Papier veröffentlicht am 16. Juni in Wissenschaft.
Laut Loo hat das rekordverdächtige Design das dauerhafte Potenzial von PSCs hervorgehoben, insbesondere als eine Möglichkeit, die Solarzellentechnologie über die Grenzen von Silizium hinaus voranzutreiben. Aber sie wies auch über das Schlagzeilenergebnis hinaus auf die neue beschleunigte Alterungstechnik ihres Teams als die tiefere Bedeutung der Arbeit hin.
„Vielleicht haben wir heute die Platte“, sagte sie, „aber morgen kommt jemand anderes mit einer besseren Platte. Das wirklich Spannende ist, dass wir jetzt eine Möglichkeit haben, diese Geräte zu testen und zu wissen, wie sie sich langfristig verhalten.“
Aufgrund der bekannten Schwäche von Perowskiten waren Langzeittests bisher kein großes Problem. Aber da die Geräte immer besser werden und länger halten, wird das Testen eines Designs gegen ein anderes entscheidend für die Einführung langlebiger, verbraucherfreundlicher Technologien.
„Dieses Papier wird wahrscheinlich ein Prototyp für jeden sein, der die Leistung an der Schnittstelle von Effizienz und Stabilität analysieren möchte“, sagte Joseph Berry, ein Senior Fellow am National Renewable Energy Laboratory, der sich auf die Physik von Solarzellen spezialisiert hat und der es nicht war an dieser Studie beteiligt. „Durch die Herstellung eines Prototyps zur Untersuchung der Stabilität und um zu zeigen, was extrapoliert werden kann [through accelerated testing], es leistet die Arbeit, die jeder sehen möchte, bevor wir mit groß angelegten Feldtests beginnen. Es ermöglicht Ihnen, auf eine wirklich beeindruckende Weise zu projizieren.“
Während sich die Effizienz in den letzten zehn Jahren in einem bemerkenswerten Tempo beschleunigt hat, sagte Berry, hat sich die Stabilität dieser Geräte langsamer verbessert. Damit sie weit verbreitet und von der Industrie eingeführt werden können, müssen die Tests ausgefeilter werden. Hier kommt der beschleunigte Alterungsprozess von Loo ins Spiel.
„Diese Art von Tests wird immer wichtiger“, sagte Loo. „Man kann die effizientesten Solarzellen herstellen, aber es macht nichts, wenn sie nicht stabil sind.“
Wie sie hierher gekommen sind
Anfang 2020 arbeitete Loos Team an verschiedenen Gerätearchitekturen, die einen relativ hohen Wirkungsgrad aufrechterhalten – genug Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, um sie wertvoll zu machen – und den Ansturm von Hitze, Licht und Feuchtigkeit überstehen, der eine Solarzelle während ihrer Lebensdauer bombardiert.
Eine Reihe von Perowskit-Solarzellendesigns werden während eines beschleunigten Alterungs- und Testprozesses, der von Forschern von Princeton Engineering entwickelt wurde, bei hohen Temperaturen unter hellem Licht gehalten. Der neue Testansatz markiert einen großen Schritt in Richtung Kommerzialisierung fortschrittlicher Solarzellen. Foto von Bumper DeJesus via Princeton Universität
Xiaoming Zhao, ein Postdoktorand in Loos Labor in der Andlinger Zentrum für Energie und UmweltSie hatte mit Kollegen an einigen Entwürfen gearbeitet. Die Bemühungen schichteten verschiedene Materialien, um die Lichtabsorption zu optimieren und gleichzeitig die empfindlichsten Bereiche vor Belichtung zu schützen. Sie entwickelten eine ultradünne Deckschicht zwischen zwei entscheidenden Komponenten: der absorbierenden Perowskitschicht und einer ladungstragenden Schicht aus Kupfersalz und anderen Substanzen. Ziel war es, den Perowskit-Halbleiter vor dem damals üblichen Durchbrennen innerhalb von Wochen oder Monaten zu bewahren.
Es ist schwer zu verstehen, wie dünn diese Deckschicht ist. Wissenschaftler verwenden den Begriff 2D, um es zu beschreiben, was zwei Dimensionen bedeutet, wie in etwas, das überhaupt keine Dicke hat. In Wirklichkeit ist es nur wenige Atome dick – mehr als eine Million Mal kleiner als das Kleinste, was ein menschliches Auge sehen kann. Obwohl die Idee einer 2D-Deckschicht nicht neu ist, gilt sie immer noch als vielversprechende, aufstrebende Technik. Wissenschaftler des NREL haben gezeigt, dass 2D-Schichten die Langstreckenleistung erheblich verbessern können, aber niemand hatte ein Gerät entwickelt, das Perowskite auch nur annähernd an die kommerzielle Schwelle einer 20-jährigen Lebensdauer brachte.
Zhao und seine Kollegen haben Dutzende von Permutationen dieser Designs durchgespielt, winzige Details in der Geometrie verschoben, die Anzahl der Schichten variiert und Dutzende von Materialkombinationen ausprobiert. Jedes Design ging in den Leuchtkasten, wo sie die empfindlichen Geräte mit unerbittlichem hellem Licht bestrahlen und ihren Leistungsabfall im Laufe der Zeit messen konnten.
Im Herbst desselben Jahres, als die erste Welle der Pandemie abebbte und die Forscher in ihre Labore zurückkehrten, um sich in sorgfältig koordinierten Schichten um ihre Experimente zu kümmern, bemerkte Zhao etwas Seltsames in den Daten. Ein Satz der Geräte schien immer noch nahe seiner Spitzenleistung zu arbeiten.
„Nach fast einem halben Jahr gab es im Grunde keinen Abfall“, sagte er.
Da wurde ihm klar, dass er eine Möglichkeit brauchte, sein Gerät schneller einem Stresstest zu unterziehen, als es sein Echtzeitexperiment zuließ.
„Die Lebensdauer, die wir anstreben, beträgt etwa 30 Jahre, aber Sie können sich nicht 30 Jahre Zeit nehmen, um Ihr Gerät zu testen“, sagte Zhao. „Also brauchen wir eine Möglichkeit, diese Lebensdauer innerhalb eines vernünftigen Zeitrahmens vorherzusagen. Deshalb ist diese beschleunigte Alterung sehr wichtig.“
Das neue Testverfahren beschleunigt den Alterungsprozess, indem das Gerät beleuchtet und gleichzeitig mit Hitze bestrahlt wird. Dieser Prozess beschleunigt das, was über Jahre hinweg bei regelmäßiger Exposition natürlich passieren würde. Die Forscher wählten vier Alterungstemperaturen und maßen die Ergebnisse über diese vier verschiedenen Datenströme hinweg, von der Basistemperatur eines typischen Sommertages bis zu einem Extremwert von Fahrenheit, höher als der Siedepunkt von Wasser.
Anschließend extrapolierten sie aus den kombinierten Daten und prognostizierten die Leistung des Geräts bei Raumtemperatur über Zehntausende von Stunden kontinuierlicher Beleuchtung. Die Ergebnisse zeigten ein Gerät, das bei kontinuierlicher Beleuchtung für mindestens fünf Jahre bei einer Durchschnittstemperatur von 95 Grad Fahrenheit über 80 Prozent seines Spitzenwirkungsgrads erbringen würde. Unter Verwendung von Standardkonvertierungsmetriken sagte Loo, dass dies das Laboräquivalent von 30 Jahren Betrieb im Freien in einer Gegend wie Princeton, NJ ist.
Berry von NREL stimmte zu. “Es ist sehr glaubwürdig”, sagte er. „Einige Leute werden es immer noch sehen wollen. Aber dies ist eine viel glaubwürdigere Wissenschaft als viele andere Vorhersageversuche.“
Der Michael Jordan unter den Solarzellen
Die Forscher bauten ihr Perowskit-basiertes Gerät aus Schichten, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen, darunter eine innovative ultradünne Schicht, die die empfindlichsten Elemente schützt. Dann beleuchteten sie das Gerät unter hellem Licht und bestrahlten es mit extremer Hitze, um zu verstehen, wie es sich über Zehntausende von Belichtungsstunden verhalten würde. Das Ergebnis war ein Rekordgerät und ein bahnbrechendes Alterungs- und Prüfverfahren. Animation von Bumper DeJesus, via Princeton Universität.
Perowskit-Solarzellen wurden 2006 entwickelt, die ersten veröffentlichten Geräte folgten 2009. Einige der frühesten Geräte hielten nur Sekunden. Andere Minuten. In den 2010er Jahren wuchs die Gerätelebensdauer auf Tage und Wochen und schließlich Monate an. Im Jahr 2017 veröffentlichte eine Gruppe aus der Schweiz dann ein bahnbrechendes Papier über einen PSC, der ein ganzes Jahr lang ununterbrochen beleuchtet wurde.
Unter der Leitung des Postdoktoranden Xiaoming Zhao (Mitte) probierten Ingenieure im Labor von Professor Lynn Loo Dutzende von Permutationen von Material- und Designkombinationen aus, um die Lebensdauer ihrer Geräte zu verbessern. Rudolph Holley, III (links), ein Doktorand, und Quinn Burlingame (rechts), ein Postdoktorand, trugen dazu bei. Foto von Bumper DeJesus via Princeton Universität.
Inzwischen ist die Effizienz dieser Geräte im gleichen Zeitraum sprunghaft angestiegen. Während der erste PSC eine Leistungsumwandlungseffizienz von weniger als 4 Prozent aufwies, steigerten die Forscher diese Metrik in ebenso vielen Jahren fast um das Zehnfache. Es war die schnellste Verbesserung, die Wissenschaftler bisher in einer Klasse von Technologien für erneuerbare Energien gesehen hatten.
Warum also der Vorstoß für Perowskite? Berry sagte, eine Kombination aus jüngsten Fortschritten mache sie einzigartig wünschenswert: neue hohe Wirkungsgrade, eine außergewöhnliche „Abstimmbarkeit“, die es Wissenschaftlern ermöglicht, hochspezifische Anwendungen zu machen, die Fähigkeit, sie lokal mit geringem Energieaufwand herzustellen, und jetzt eine glaubwürdige Prognose einer verlängerten Lebensdauer gekoppelt mit einem ausgeklügelten Alterungsprozess, um eine Vielzahl von Designs zu testen.
Loo sagte, es sei nicht so, dass PSCs Siliziumgeräte so sehr ersetzen würden, dass die neue Technologie die alte ergänzen werde, Solarmodule noch billiger, effizienter und langlebiger als heute mache und die Solarenergie in unzählige neue Bereiche des modernen Lebens einführe. Zum Beispiel demonstrierte ihre Gruppe kürzlich komplett transparenter Perowskitfilm (mit unterschiedlicher Chemie), die Fenster in energieerzeugende Geräte verwandeln können, ohne ihr Aussehen zu verändern. Andere Gruppen haben Wege gefunden, photovoltaische Tinten unter Verwendung von Perowskiten zu drucken, was Formfaktoren ermöglicht, die Wissenschaftler erst jetzt erträumen.
Aber der Hauptvorteil auf lange Sicht, laut Berry und Loo: Perowskite können bei Raumtemperatur hergestellt werden, während Silizium bei etwa 3000 Grad Fahrenheit geschmiedet wird. Irgendwo muss diese Energie ja herkommen, und das bedeutet im Moment, viele fossile Brennstoffe zu verbrennen.
Berry fügte hinzu: Da Wissenschaftler die Perowskit-Eigenschaften einfach und breit abstimmen können, ermöglichen sie, dass unterschiedliche Plattformen reibungslos zusammenarbeiten. Das könnte der Schlüssel für Hochzeitssilizium mit aufstrebenden Plattformen wie Dünnschicht- und organischer Photovoltaik sein, die in den letzten Jahren ebenfalls große Fortschritte gemacht haben.
“Es ist ein bisschen wie Michael Jordan auf dem Basketballplatz”, sagte er. „Für sich genommen großartig, aber es macht auch alle anderen Spieler besser.“
Die Veröffentlichung „Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells“ wurde mit Unterstützung der National Science Foundation veröffentlicht; das US-Energieministerium über das Brookhaven National Laboratory; der strategische Forschungsbereich der schwedischen Regierung in Materialwissenschaft zu Funktionsmaterialien; und das Princeton Imaging and Analysis Center. Neben Loo und Zhao gehören zu den beitragenden Autoren Tianjun Liu und Feng Gao, beide von der Universität Linköping; und Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Rudolph Holley III, Guangming Cheng und Nan Yao, alle von der Princeton University
Von Scott Lyon. Artikel mit freundlicher Genehmigung der Princeton University School of Engineering and Applied Science.
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