Rekordverdächtige Perowskit-Solarzellen schließen die Lücke zwischen Labortisch und Dach

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Perowskit-Solarzellen werden seit Anfang der 2000er Jahre als das nächste große Ding der erneuerbaren Energiewende gehandelt, da sie die Kosten senken und gleichzeitig das Produktionsvolumen steigern. Da es so etwas wie ein kostenloses Mittagessen nicht gibt, war es ein kniffliges Unterfangen, Perowskit-Material funktionsfähig zu machen. Die Lücke zwischen dem Labortisch und realen Anwendungen hat sich jedoch geschlossen, wie die jüngsten Aktivitäten von Forschern und Herstellern zeigen.

Die Messlatte für die Effizienz von Perowskit-Solarzellen höher legen

Perowskite sind eine Klasse synthetischer kristalliner Materialien mit guten optoelektrischen Eigenschaften. Ihre Struktur basiert auf dem natürlich vorkommenden Mineral Perowskit. Sie sind im Vergleich zu Silizium und anderen Solarzellenmaterialien relativ kostengünstig, was ihren Reiz ausmacht.

Trotz ihres vielversprechenden Potenzials standen Perowskit-Solarzellen gleich zu Beginn vor zwei großen Hürden. Ein großes Problem war die Effizienz der Solarumwandlung. Perowskit-Solarzellen der ersten Generation kamen 2009 auf den Markt Solarumwandlungswirkungsgrad von nur 3,8 %weit unter dem typischen Wirkungsgrad von Standard-Silizium-Solarzellen.

Das andere Problem war die Tendenz, sich unter Umgebungsbedingungen bereits nach wenigen Minuten zu verschlechtern. Das scheint Perowskite aus dem Rennen um die kommerzielle Entwicklung auszuschließen, außer dass die Wissenschaft Herausforderungen liebt.

In den neuesten Nachrichten meldete am 4. März ein Forschungsteam der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz den höchsten bisher zertifizierten Umwandlungswirkungsgrad für ein Perowskit-Solarmodul. Sie erreichten einen zertifizierten Anfangswert von 23,3 % und das Solarmodul stabilisierte sich bei einem Umwandlungswirkungsgrad von 22,97 %.

Für diejenigen unter Ihnen, die viel unterwegs sind: Das Forschungsteam beschreibt auch, wie es seine Perowskit-Formel optimiert hat, um den Abbau zu hemmen und die Stabilität zu erhöhen. Im Gegensatz zur begrenzten Lebensdauer der Perowskit-Solarzellen der ersten Generation berichtete das EPFL-Team, dass ihr Perowskit-Solarmodul 94,66 % seiner ursprünglichen Effizienz beibehielt, nachdem es 1.000 Stunden lang kontinuierlicher Ein-Sonnen-Beleuchtung bei Raumtemperatur ausgesetzt war (vollständige Details finden Sie in das Tagebuch Natur unter dem Titel, “Dotierstoff-Additiv-Synergismus verbessert Perowskit-Solarmodule“).

„Unser Ansatz ist vielversprechend, um die Lücke zwischen Tisch und Dach zu schließen und die Produktion und Kommerzialisierung großflächiger Perowskit-Photovoltaik voranzutreiben“, schlussfolgerte das Team.

Mehr und längere Perowskit-Solarzellen

Die Verlängerung der Lebensdauer einer Perowskit-Solarzelle kann auch ein Weg zur Erzielung einer Kosteneffizienz sein, selbst wenn der Solarumwandlungswirkungsgrad unter dem Maximum liegt. Ein Forschungsteam am Brookhaven National Laboratory in den USA hat beispielsweise berichtet, dass Perowskit-Solarzellen das Potenzial haben, eine Lebensdauer von 30 Jahren zu erreichen ein Solarumwandlungswirkungsgrad von 17,4 %.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Herstellungskosten zu senken. Am 6. Mai beschrieb die University of California – Santa Barbara einige bedeutende Fortschritte in diesem Bereich. „Die Produktion von Perowskit-Solarzellen hat auch das Potenzial für einen geringeren CO2-Fußabdruck als Silizium-Photovoltaik, die hohe Temperaturen und eine Reinraumumgebung erfordert“, erklärte die Schule. „Allerdings erfordert die Herstellung dieser Zellen ein Hochtemperaturglühen und knifflige Nachbehandlungsschritte, was die Herstellung erheblich verlangsamt und es schwierig macht, sie in Alltagsgegenstände zu integrieren.“

Forscher der Schule haben es sich ausgedacht eine neue Perowskit-„Tinte“ Dies ermöglicht einen optimierten, energieeffizienten Herstellungsprozess bei Raumtemperatur. Durch ihre neue Formel entfallen die thermischen Glüh- und Nachbehandlungsschritte, die als die beiden zeitaufwändigsten Elemente bei der Herstellung von Perowskit-Solarzellen gelten.

„Die Innovation des Teams vereinfachte nicht nur den Produktionsprozess, sondern steigerte auch die Effizienz des Materials von unter 20 % auf 24,4 %“, berichtete UC-Santa Barbara. Obwohl die 24,4-Prozent-Marke nicht die von der EPFL festgelegte hohe Messlatte erreicht, ist sie nach Angaben der Schule die erste, die die 20-Prozent-Schwelle für bei Raumtemperatur hergestellte Perowskit-Solarzellen überschreitet.

Der Roll-to-Roll-Faktor

Wenn Sie das mit der Tinte verstanden haben, ist das der Schlüssel zur strahlend grünen Zukunft kostengünstiger Perowskit-Solarzellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen starren Siliziumsolarzellen können Perowskit-Solarzellen in einer Lösung hergestellt und auf verschiedene Arten von Oberflächen, einschließlich flexibler Oberflächen, aufgesprüht, bemalt oder gedruckt werden.

Insbesondere Fans von Perowskit-Solarzellen haben die Rolle-zu-Rolle-Drucktechnologie für die Herstellung von Großserien und schnellem Durchsatz im Auge behalten. Der Fall für Rolle-zu-Rolle-Perovksite-Druck wurde am 11. Mai im Journal zusammengefasst Naturkommunikation von Ershad Parvazian und Trystan Watson von der Swansea University.

„In einem Rolle-zu-Rolle-System sollte die Produktion auf unbestimmte Zeit fortgesetzt werden, solange Ihre Eingangsmaterialien kontinuierlich nachgefüllt werden“, stellten sie fest. „In seiner einfachsten Form bietet es die Prämisse Ink-IN / Solarmodul-OUT.“

Das ist nicht ganz so einfach, wie es sich anhört. Parvazian und Trystan benennen nicht nur die Vorteile des Rolle-zu-Rolle-Drucks, sondern erläutern auch die Herausforderungen, die sich für den Druck von der Werkbank bis zur Dachterrasse ergeben. „Im Gegensatz zu den kontrollierten Bedingungen der laborbasierten Schleuderbeschichtung in einer Glovebox oder unter einem Abzug wird die R2R-Beschichtung in viel größerem Maßstab im offenen Raum durchgeführt und erfordert eine sorgfältige Verwaltung der Beschichtungsparameter“, raten sie.

„Die Herausforderungen nehmen während der Trocknungs- und Glühphasen zu, wo die Aufrechterhaltung eines empfindlichen Gleichgewichts zwischen Temperatur, Luftstrom und Liniengeschwindigkeit entscheidend ist, um Fehler zu vermeiden“, fügen sie hinzu.

Perowskit-Solarzellen sind dem Dach einen Schritt näher gekommen

Trotz der Herausforderungen gehört das US-Energieministerium zu den Befürwortern des Rolle-zu-Rolle-Drucks.

Bereits 2017 vergab das Energieministerium einen Zuschuss von 2 Millionen US-Dollar an das New Yorker Startup Energy Materials Corporation, um die Haltbarkeit von Perowskit-Solarzellen durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Rolle-zu-Rolle-Druckern zu verbessern. In einer interessanten Wendung mietete das Unternehmen Drucker von Eastman Kodak, einem legendären Namen in der Großserienfilmproduktion.

Anscheinend gefiel dem Energieministerium, was es sah, denn es verlieh EMC im Jahr 2019 eine weitere Auszeichnung.

„Diese Drucker können 1.000 Fuß Film pro Minute beschichten“, berichtete das Energieministerium im Jahr 2020. „EMC hofft darauf.“ Beschichten Sie Perowskit mit einer Geschwindigkeit von 100 Fuß pro Minuteeine Geschwindigkeit, die genügend Solarpaneele produzieren könnte, um 4 Gigawatt Strom pro Jahr zu erzeugen.“

„Zum Vergleich: Die gesamten Vereinigten Staaten haben im Jahr 2019 2,5 Gigawatt Solarenergie für Privathaushalte installiert“, fügten sie hinzu.

Seitdem scheint EMC aus den Nachrichten verschwunden zu sein, obwohl das Unternehmen im Jahr 2022 für eine weitere Auszeichnung des Energieministeriums nominiert wurde. Der Vorschlag befand sich zu diesem Zeitpunkt noch im Umweltprüfungsverfahren. Unter der Annahme der Genehmigung würde die Auszeichnung einen Pilotproduktionslauf mit einer Leistung von einem Kilowatt unterstützen, der auf eine Produktion von etwa 1 Kilowatt abzielt zwei Dutzend Perowskite „Minimodule“ Sie sind zwischen 0,01 und 0,4 Quadratmeter groß und sollen unter realen Bedingungen auf dem Campus des National Renewable Laboratory in Colorado oder den Sandia National Laboratories in New Mexico getestet werden.

CleanTechnica kontaktiert EMC für die neuesten Updates. Wir sind besonders am Ergebnis einer Vereinbarung interessiert, die 2020 zwischen dem führenden Glas- und Materialunternehmen Corning und EMC unterzeichnet wurde und darauf abzielt, „kostengünstige, leistungsstarke Perowskit-Solar-Photovoltaikmodule und -produkte in die Energiebranche zu bringen“.

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Bildnachweis: „A Perowskit-Solarmodul mit einer aktiven Fläche von 22,0 cm2, die fluorierte Aniliniumverbindungen zur Grenzflächenpassivierung enthält“ (Cheng Liu, Northwestern University über EPFL).