Quelle: cei.washington.edu/
Was ist ein Perowskit?
Ein Perowskit ist ein Material mit der gleichen Kristallstruktur wie das Mineral Calciumtitanoxid, der zuerst entdeckte Perowskitkristall. Im Allgemeinen haben Perowskitverbindungen eine chemische Formel ABX3, wobei 'A' und 'B' Kationen darstellen und X ein Anion ist, das an beide bindet. Eine Vielzahl unterschiedlicher Elemente kann zu Perowskit-Strukturen miteinander kombiniert werden. Mit dieser Flexibilität in der Zusammensetzung können Wissenschaftler Perowskit-Kristalle so gestalten, dass sie eine Vielzahl von physikalischen, optischen und elektrischen Eigenschaften aufweisen. Perowskitkristalle finden sich heute in Ultraschallgeräten, Speicherchips und jetzt – Solarzellen.
Ein Schema einer Perowskit-Kristallstruktur. (Wikimedia-Commons)
Saubere Energieanwendungen von Perowskiten
Alle photovoltaischen Solarzellen basieren auf Halbleitern – Materialien im Mittelgrund zwischen elektrischen Isolatoren wie Glas und metallischen Leitern wie Kupfer – um die Energie aus Licht in Elektrizität umzuwandeln. Das Licht der Sonne regt im Halbleitermaterial Elektronen an, die in leitende Elektroden fließen und elektrischen Strom erzeugen.
Silizium ist seit den 1950er Jahren das primäre Halbleitermaterial für Solarzellen, da seine halbleitenden Eigenschaften gut mit dem Spektrum der Sonnenstrahlen übereinstimmen und es relativ reichlich vorhanden und stabil ist. Die großen Siliziumkristalle, die in herkömmlichen Solarmodulen verwendet werden, erfordern jedoch einen teuren, mehrstufigen Herstellungsprozess, der viel Energie verbraucht. Auf der Suche nach einer Alternative haben Wissenschaftler die Abstimmbarkeit von Perowskiten genutzt, um Halbleiter mit ähnlichen Eigenschaften wie Silizium herzustellen. Perowskit-Solarzellen können mit einfachen additiven Abscheidungstechniken wie Drucken zu einem Bruchteil der Kosten und Energie hergestellt werden. Aufgrund der kompositorischen Flexibilität von Perowskiten können sie auch optimal auf das Sonnenspektrum abgestimmt werden.
Im Jahr 2012 entdeckten Forscher erstmals, wie eine stabile Dünnschicht-Perowskit-Solarzelle mit Lichtphotonen-zu-Elektronen-Umwandlungseffizienzen von über 10 % unter Verwendung von Bleihalogenid-Perowskiten als lichtabsorbierende Schicht hergestellt werden kann. Seitdem ist der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie von Perowskit-Solarzellen in die Höhe geschossen, wobei der Laborrekord bei 25,2 % liegt. Forscher kombinieren auch Perowskit-Solarzellen mit konventionellen Silizium-Solarzellen – die Rekordwirkungsgrade dieser „Perowskit-auf-Silizium“-Tandemzellen liegen derzeit bei 29,1 % (übertreffen den Rekord von 27 % für konventionelle Siliziumzellen) und steigen rasant. Mit diesem rasanten Anstieg der Zelleffizienz könnten Perowskit-Solarzellen und Perowskit-Tandem-Solarzellen bald zu günstigen, hocheffizienten Alternativen zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen werden.
Ein Querschnitt einer Perowskit-Solarzelle. (Institut für saubere Energie)
Welche aktuellen Forschungsziele gibt es?
Während Perowskit-Solarzellen, einschließlich Perowskit-auf-Silizium-Tandems, von Dutzenden von Unternehmen weltweit kommerzialisiert werden, gibt es noch grundlegende wissenschaftliche und technische Herausforderungen zu bewältigen, die ihre Leistung, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit verbessern können.
Einige Perowskit-Forscher treiben die Umwandlungseffizienz weiter voran, indem sie Defekte im Perowskit charakterisieren. Obwohl Perowskit-Halbleiter bemerkenswert fehlertolerant sind, wirken sich Fehler immer noch negativ auf die Leistung aus – insbesondere solche, die an der Oberfläche der aktiven Schicht auftreten. Andere Forscher erforschen neue chemische Formulierungen von Perowskit, um ihre elektronischen Eigenschaften für spezifische Anwendungen (wie Tandem-Zellstapel) abzustimmen oder ihre Stabilität und Lebensdauer weiter zu verbessern.
Die Forscher arbeiten auch an neuen Zelldesigns, neuen Verkapselungsstrategien zum Schutz von Perowskiten vor der Umwelt und dem Verständnis grundlegender Abbauwege, damit sie mithilfe von beschleunigten Alterungsstudien vorhersagen können, wie Perowskit-Solarzellen auf Dächern halten werden. Andere untersuchen schnell eine Vielzahl von Herstellungsverfahren, einschließlich der Anpassung von Perowskit-„Tinten“ an etablierte großtechnische Lösungsdruckverfahren. Während die leistungsstärksten Perowskite heute mit einer geringen Menge Blei hergestellt werden, erforschen Forscher schließlich auch alternative Zusammensetzungen und neue Einkapselungsstrategien, um Bedenken im Zusammenhang mit Bleitoxizität zu mildern.
Wie treibt CEI Perowskite voran?
Perowskitkristalle weisen oft atomare Defekte auf, die die solare Umwandlungseffizienz verringern können. CEI Chief Scientist und Chemieprofessor David Ginger hat „Passivierungs“-Techniken entwickelt, bei denen Perowskite mit verschiedenen chemischen Verbindungen behandelt werden, um diese Defekte zu heilen. Aber wenn Perowskit-Kristalle zu Solarzellen zusammengebaut werden, können die stromsammelnden Elektroden zusätzliche Defekte verursachen. Im Jahr 2019 erhielten Ginger und Mitarbeiter von Georgia Tech vom Solar Energy Technologies Office (SETO) des US-Energieministeriums Fördermittel, um neue Passivierungsstrategien und neue Ladungssammelmaterialien zu entwickeln, die es Perowskit-Solarzellen ermöglichen, ihr volles Effizienzpotenzial zu erreichen und gleichzeitig kompatibel zu bleiben mit kostengünstiger Fertigung.
Der Chemieprofessor Daniel Gamelin und seine Gruppe haben sich zum Ziel gesetzt, Siliziumsolarzellen mit Perowskit-Beschichtungen zu modifizieren, um hochenergetische Photonen von blauem Licht effizienter zu sammeln und die theoretische Grenze von 33 % Umwandlung für konventionelle Siliziumzellen zu umgehen. Gamelin und sein Team haben Perowskit-Quantenpunkte entwickelt – winzige Partikel, die tausendmal kleiner als ein menschliches Haar sind – die hochenergetische Photonen absorbieren und doppelt so viele niederenergetische Photonen emittieren können, ein Prozess, der als „Quantenschneiden“ bezeichnet wird. Jedes von einer Solarzelle absorbierte Photon erzeugt ein Elektron, sodass die Perowskit-Quantenpunktbeschichtung die Umwandlungseffizienz dramatisch erhöhen könnte.
Gamelin und sein Team haben ein Spin-off-Unternehmen namens BlueDot Photonics gegründet, um die Technologie zu kommerzialisieren. Mit Mitteln von SETO entwickeln Gamelin und BlueDot Abscheidungstechniken, um dünne Schichten aus Perowskit-Materialien für großflächige Solarzellen zu erzeugen und konventionelle Siliziumsolarzellen zu verbessern.
Der Chemieingenieur-Professor Hugh Hillhouse verwendet maschinelle Lernalgorithmen, um die Erforschung von Perowskiten zu unterstützen. Mithilfe von Photolumineszenz, die mit Hochgeschwindigkeitsvideos aufgenommen wurde, testen Hillhouse und seine Gruppe eine Vielzahl von Hybrid-Perowskiten auf Langzeitstabilität. Diese Experimente erzeugen enorme Datensätze, aber durch maschinelles Lernen zielen sie darauf ab, ein Vorhersagemodell der Degradation für Perowskit-Solarzellen zu erstellen. Dieses Modell kann ihnen dabei helfen, den chemischen Aufbau und die Struktur einer Perowskit-Solarzelle im Hinblick auf Langzeitstabilität zu optimieren – eine entscheidende Hürde für die Kommerzialisierung.
In den Washington Clean Energy Testbeds, einer von CEI betriebenen Open-Access-Laboreinrichtung, können Forscher und Unternehmer modernste Geräte nutzen, um Technologien wie Perowskit-Solarzellen zu entwickeln, zu testen und zu skalieren. Mit dem Rolle-zu-Rolle-Drucker an den Testbeds können Perowskit-Tinten bei niedrigen Temperaturen auf flexible Substrate gedruckt werden. Technischer Direktor TestbedsJ. Devin MacKenzie, Professor für Materialwissenschaften& Maschinenbau und Maschinenbau an der UW, ist Experte für Materialien und Techniken für die Fertigung mit hohem Durchsatz und geringem CO2-Fußabdruck. Eines der aktivsten Projekte seiner Gruppe, das ebenfalls von SETO finanziert wird, entwickelt In-situ-Instrumente, die das Wachstum von Perowskitkristallen messen können, während sie während des Rolle-zu-Rolle-Drucks schnell abgeschieden werden. Mit Unterstützung des Joint Center for the Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM) verwendet MacKenzies Gruppe auch den weltweit höchsten Auflösungsdrucker, um neue Elektroden zu entwickeln, um elektrischen Strom aus Perowskit-Solarzellen zu ziehen, ohne das Sonnenlicht daran zu hindern, in die Zelle einzudringen.
Washington Clean Energy Testbeds Technical Director J. Devin MacKenzie demonstriert den mehrstufigen Rolle-zu-Rolle-Drucker für flexible Elektronik der Testbeds. (Institut für saubere Energie)
