Forschung -

Erhöhte Stabilität von kostengünstigen, großflächigen Solarmodulen

Wissenschaftler des 'Okinawa Institute of Science and Technology' (OIST) haben offensichtlich eine grundlegende Schwäche der vielversprechenden Perowskit-Solarzellen (PSCs) behoben.

Ihre Innovationen scheinen sowohl die Stabilität als auch die Skalierbarkeit der Module auf einen Schlag zu verbessern und könnten der Schlüssel zur PSC-Markteinführung sein.

Solarzellen der dritten Generation wandeln das Sonnenlicht effizient in nutzbare Elektrizität um und kosten weniger Energie in der Herstellung als Siliziumzellen der alten Schule.

Vor allem PSCs haben aufgrund ihrer niedrigen Kosten und ihrer hohen Effizienz die Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf sich gezogen. Obwohl ihre Leistung in Labortests vielversprechend ist, leiden die Geräte immer noch unter einer geringen Stabilität und können erst dann kommerziell produziert werden, wenn sie sich für eine lange Lebensdauer eignen.

"Wir brauchen Solarmodule, die mindestens fünf bis zehn Jahre halten. Im Moment ist die Lebensdauer von PSCs viel kürzer", sagte Dr. Longbin Qiu, Erstautor des Forschungsberichtes und Postdoc-Wissenschftler in der "Energy Materials and Surface Sciences Unit", die von Professor Yabing Qi geleitet wird.

Die Studie, die in der Zeitschrift "Advanced Functional Materials" veröffentlicht wurde, belegt frühere Beweise dafür, dass ein in PSCs häufig verwendetes Material, Titandioxid, die Module beeinträchtigt und ihre Lebensdauer begrenzt.

Die Forscher ersetzten dieses Material durch Zinndioxid, ein besserer Leiter ohne den genannten Nachteil. Sie optimierten ihre Anwendungsmethode mit Zinndioxid, um stabile, effiziente und skalierbare PSCs herzustellen.

In Experimenten fanden die Forscher heraus, dass Module auf Zinndioxidbasis eine über dreimal längere Lebensdauer aufwiesen als PSC-Module mit Titandioxid. "Zinndioxid kann den Anwendern die notwendige Modulperformance bieten", sagte Qiu.

Verbessertes Design

PSCs bestehen aus Materialschichten, die jeweils eine bestimmte Funktion haben. Die "aktive Schicht" aus Perowskitmaterialien absorbiert das einfallende Sonnenlicht in Form von Photonen.

Wenn ein Photon auf eine Solarzelle trifft, erzeugt es in der aktiven Schicht negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher. Wissenschaftler steuern den Fluss dieser Elektronen und Löcher, indem sie die aktive Schicht zwischen zwei "Transportmaterialien" positionieren und so ein eingebautes elektrisches Feld erzeugen.

Um Elektronen in die richtige Richtung zu lenken, beinhalten viele PSCs eine "Elektronentransportschicht". Die meisten PSCs verwenden dafür Titandioxid, aber wenn es dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, reagiert das Material mit dem Perowskit und verschlechtert das Modul.

Zinndioxid stellt einen praktikablen Ersatz für Titandioxid dar, wurde aber vor dieser Studie ohne Erfolg in ein größeres Modul integriert.

Mit der in der Industrie gebräuchlichen Sputterabscheidung lernten die Forscher, wie man aus Zinndioxid eine effektive Elektronentransportschicht herstellt.

Bei der Sputterabscheidung wird das Zielmaterial, hier Zinndioxid, mit geladenen Partikeln beschossen, sodass es nach oben auf eine spezielle Oberfläche sprüht.

Durch die präzise Steuerung der Sputterleistung und der Abscheidungsgeschwindigkeit erzeugten die Forscher glatte Schichten mit gleichmäßiger Dicke über eine große Fläche hinweg.

Die neuen Solarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von über 20 Prozent. Um die Skalierbarkeit dieser neuen Methode zu demonstrieren, fertigten die Forscher dann 5 x 5 cm Solarmodule mit einer Fläche von 22,8 cm2 und stellten fest, dass die so gefertigten Solarmodule einen Wirkungsgrad von über 12 Prozent aufweisen.

Diese Forschung, die durch das Proof-of-Concept-Programm des OIST 'Technology Development and Innovation Center' unterstützt wurde, stellt einen entscheidenden Schritt nach vorne dar, um den aktuellen Industriestandard für eine PSC-Effizienz zu erfüllen.

Die Forscher planen, ihr PSC-Design weiter zu optimieren, um große Solarmodule mit verbessertem Wirkungsgrad zu produzieren. Die Forschungsgruppe experimentiert mit flexiblen, transparenten Solarmodulen und will ihr optimiertes PSC-Design in Solarfenstern, Vorhängen, Rucksäcken und Ladeeinheiten integrieren.

"Wir wollen diese Module weiter skalieren, und obwohl deren Effizienz recht ordentlich ist, möchten wir sie weiter vorantreiben", sagte Prof. Qi. "Wir sind optimistisch, dass diese Technologie in den nächsten Jahren kommerziell nutzbar sein wird."

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