Rätsel um Perowskit-Solarzellen gelöst, jetzt kommt der schwierige Teil

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Der starke Rückgang der Kosten für Solarenergie seit Anfang der 2000er Jahre wird sich mit der Weiterentwicklung der Solarindustrie, einschließlich der Einführung von Perowskit-Material, fortsetzen. Allerdings müssen noch Hürden überwunden werden, bevor die Perowskit-Technologie mit voller Wucht auf den Mainstream-Markt gelangt. Insbesondere das Rätsel um die Stabilität von Perowskit-Solarzellen ist immer noch ein Rätsel, aber ein multinationales Team am Georgia Institute of Technology ist einer derjenigen, die der Antwort auf der Spur sind.

Der Aufstieg der Perowskit-Solarzelle

Das kristalline Mineral Perowskit ist eine Entdeckung aus dem 19. Jahrhundert, die zur Entstehung von im Labor gezüchteten Variationen mit ähnlicher Struktur für den Einsatz in der Elektronikindustrie im 20. Jahrhundert führte.

Die Anwendung von Perowskiten in der Photovoltaik ist ein Phänomen des 21. Jahrhunderts. Ein japanisches Forscherteam erhielt 2009 die Auszeichnung für die Veröffentlichung der ersten Perowskit-Solarzellenstudie unter dem Titel „Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for“. Photovoltaik-Zellen.“

Seitdem hat die Perowskit-Solarzellentechnologie Forscher auf der ganzen Welt angezogen, angelockt von dem Versprechen, hocheffiziente Solarzellen zu entwickeln, die in größerem Umfang und zu geringeren Kosten erhältlich sind als ihre Silizium-Pendants.

Wenn Sie sich fragen, warum Perowskit-Solarzellen 14 Jahre nach der Veröffentlichung dieses ersten Artikels noch nicht weit verbreitet sind, ist das eine gute Frage. Silizium ist ein teureres Energiegewinnungsmaterial, aber seine Haltbarkeit hat es zum bevorzugten Photovoltaikmaterial gemacht. Perowskite sind relativ kostengünstig, aber instabil. Ihre Kristallstruktur verändert sich, wenn sie Wasser und Sauerstoff ausgesetzt werden.

Das ist ein großes Problem, wenn man bedenkt, dass Solarmodule ständig Wasser und Sauerstoff in Form von Luft ausgesetzt sind.

Da die Wissenschaft Herausforderungen liebt, gibt es bereits eine Reihe von Lösungsansätzen. Zu den Strategien, die auftauchen, gehören CleanTechnica-Radar ist eine Perowskit-Solarzelle, die in eine Siliziumzelle eingebettet ist (hier ist ein weiteres Beispiel). Es sind auch stabilere Perowskit-Formulierungen entstanden, darunter eine vom kanadischen Startup XlynX Materials entwickelte Klebstofflösung.

Rätsel um Perovksit-Solarzelle gelöst…

Doch wenn man genau wüsste, warum Perowskite destabilisiert werden, wenn sie Wasser und Sauerstoff ausgesetzt werden, könnten Forscher ein genaueres Verständnis dafür erhalten, wie man einer Solarzelle noch mehr Stabilität verleihen kann, und das Georgia Tech-Team hat einen Plan entwickelt.

In einem neu veröffentlichten Artikel mit dem Titel „Synergistic Role of Water and Oxygen Leads to Degradation in Formamidinium-Based.“ Halogenid-Perowskite„Das Team präsentiert eine detaillierte Beschreibung der chemischen Wechselwirkungen, die dazu führen, dass Perowskite ihre Zustände verschieben, und legt auch die Lösung dar.

Der Schlüssel lag in der Untersuchung des Zusammenspiels von Wasser und Sauerstoff und nicht in der getrennten Untersuchung der Auswirkungen von Wasser und Sauerstoff.

„Wir stellen fest, dass die Abbaurate erheblich langsamer ist, wenn der Perowskit H ausgesetzt wird₂AN₂ im Vergleich zu H₂O/Luft“, schrieb das Team. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine entscheidende Synergie zwischen H₂O und O₂ an der Luft wird benötigt, um die unerwünschten Phasenumwandlungen in Perowskiten zu beschleunigen.“

„Vor diesem Artikel dachten die Leute, dass sich diese Materialien zersetzen, wenn man sie nur Wasser aussetzt. Wenn man sie nur Sauerstoff aussetzt, zersetzen sich diese Materialien“, erklärt Assistenzprofessor Juan-Pablo Correa-Baena, der leitende Autor der Arbeit. „Wenn man den einen oder anderen davon abhält Wechselwirkung mit den PerowskitenSie verhindern größtenteils die Verschlechterung.“

„Die Forscher fanden heraus, dass das komplexe Zusammenspiel von Wasser und Sauerstoff mit den Perowskiten zu Instabilität führt; einen davon wegnehmen bewahrte die energieeinfangende Kristallstruktur der Perowskite“, erklärt das Georgia Tech College of Engineering.

…Jetzt kommt der schwierige Teil

Wenn es darum geht, zu verhindern, dass Wasser oder Sauerstoff auf eine Perowskit-Solarzelle trifft, ist das eine schwierige Aufgabe, wenn man bedenkt, dass beide in der Umgebungsluft vorkommen.

Die Sandwich-Strategie ist eine Lösung, obwohl es eine schwierige Angelegenheit ist, die Kostensenkungsmöglichkeiten von Perowskit mit der Haltbarkeit von Silizium in Einklang zu bringen.

Das Georgia Tech-Team versuchte einen anderen Ansatz. Sie trugen einen dünnen Film der in der Industrie üblichen Chemikalie PEIA (Phenethylammoniumiodid) auf ihre Perowskit-Solarzelle auf.

PEIA weist Wasser ab, und das hat seinen Zweck erfüllt – teilweise. Die Forscher fanden heraus, dass die Wärme der Solarzelle die PEIA-Moleküle anregt, wodurch diese ihre Fähigkeit verlieren, Wasser abzustoßen.

Der nächste Schritt besteht darin, eine hitzebeständige Version von PEIA zu erstellen. Zu diesem Zweck rekrutiert Correa-Baena – Leiterin des Forschungsprogramms „Materials for Solar Energy Harvesting and Conversion“ am Georgia Tech Institute for Materials and Strategic Energy Institute – einen Top-Materialwissenschaftler für das Team.

Die Kosten für Solarzellen immer weiter senken

Inzwischen haben auch andere Forschungsteams den Einsatz von PEIA zur Stabilisierung von Perowskit-Solarzellen untersucht.

Im Jahr 2020 veröffentlichte beispielsweise die Royal Chemistry Society eine Studie mit dem Titel „Evaluating the role of phenethylamine iodide as.“ ein neuartiges Antilösungsmittel zur Verbesserung der Leistung invertierter planarer Perowskit-Solarzellen.“

Im Jahr 2021 erschien ein Artikel mit dem Titel „Einführung von Phenylethylammoniumiodid in invertierte Dreifachkationen-Perowskit-Solarzellen für verbesserte VOC und Stabilität“ erschien in der Zeitschrift Organische Elektronik.

Letztes Jahr veröffentlichte ein in Taiwan ansässiges Forschungsteam auch eine Untersuchung zu PEIA unter dem Titel „Effiziente Perowskit-Solarzellen durch kationmodifiziertes Phenethylaminjodid“. Lochtransportschicht/Perowskit-Schnittstelle.“

Auch Perowskit-Solarzellenforscher arbeiten an Möglichkeiten, die Kosten zu senken. Drüben beim US-Energieministerium stellt das National Renewable Energy Laboratory fest, dass eine dünne Gold- oder Silberschicht bekanntermaßen die Effizienz von Perowskit-Solarzellen verbessert, aber auch den Preis erhöht.

In Zusammenarbeit mit Forschern der Northern Illinois University entwickelte das NREL-Team eine Alternative, die als „Nickel-dotierte Graphitschicht gekoppelt mit einer Wismut-Indium-Legierungsschicht“ beschrieben wird.

„Die beiden Schichten lassen sich problemlos zusammenlegen in das Perowskit-Gerät integriert Durch das Aufmalen bieten wir eine kostengünstige Herstellungsmethode“, stellt NREL fest.

Wenn Ihnen das Thema Lackieren aufgefallen ist, ist das ein weiterer Teil der kostengünstigen Perowskit-Solarzellenlösung. Im Gegensatz zu den Präzisionsfertigungsprozessen, die für Siliziumsolarzellen erforderlich sind, werden Perowskite in einer Lösung formuliert, die auf eine Oberfläche aufgetragen, aufgesprüht, aufgetragen oder gedruckt werden kann.

Diese Art von Flexibilität ermöglicht eine großvolumige, kostengünstige Produktion und trägt dazu bei, Solarenergie leichter zugänglich zu machen.

Auch der Zugang zu Solarenergie verbessert sich durch die Entwicklung neuer gemeinschaftlicher Solarmodelle und anderer Solarprogramme für Haushalte mit niedrigem und mittlerem Einkommen. Bleiben Sie also auf dem Laufenden, um mehr darüber zu erfahren.

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Bild (beschnitten): „Ingenieure der Georgia Tech haben in einer neuen Studie gezeigt, dass dafür sowohl Wasser als auch Sauerstoff erforderlich sind Perowskite zerfallen. Das Team stoppte die Umwandlung mit einer dünnen Schicht eines anderen Moleküls, das Wasser abstößt“ (mit freundlicher Genehmigung von Juan-Pablo Correa-Baena).