Quelle: oist.jp
Forscher der Graduiertenuniversität des Okinawa-Instituts für Wissenschaft und Technologie (OIST) haben Solarmodule der nächsten Generation mit hohem Wirkungsgrad und guter Stabilität entwickelt. Diese Solarmodule werden aus einem Material namens Perowskit hergestellt und können über 2000 Stunden lang eine hohe Leistung aufrechterhalten. Ihre Ergebnisse, die am 20. Juli 2020 in der führenden Zeitschrift Nature Energy veröffentlicht wurden, haben die Aussichten auf eine Kommerzialisierung verbessert.
Perowskiten haben das Potenzial, die Solartechnikindustrie zu revolutionieren. Sie sind flexibel und leicht und versprechen mehr Vielseitigkeit als die schweren und starren Zellen auf Siliziumbasis, die derzeit den Markt dominieren. Wissenschaftler müssen jedoch einige große Hürden überwinden, bevor Perowskite kommerzialisiert werden können.
"Es gibt drei Bedingungen, die Perowskite erfüllen müssen: Sie müssen billig herzustellen, hocheffizient und langlebig sein", sagte Professor Yabing Qi, Leiter des OISTReferat Energiematerialien und Oberflächenwissenschaften, der diese Studie leitete.
Eine Demonstration einer Perowskit-Solarzelle
Die Kosten für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen sind gering, da die billigen Rohstoffe nur wenig Energie für die Verarbeitung benötigen. Und in etwas mehr als einem Jahrzehnt haben Wissenschaftler große Fortschritte bei der Verbesserung der effektiven Umwandlung von Sonnenlicht in Strom durch Perowskit-Solarzellen erzielt. Der Wirkungsgrad ist jetzt mit dem von Zellen auf Siliziumbasis vergleichbar.
Sobald sie jedoch von winzigen Solarzellen auf größere Solarmodule skaliert sind, sinkt der Wirkungsgrad von Perowskiten. Dies ist problematisch, da die kommerzielle Solartechnologie bei der Größe von Solarmodulen mit einer Länge von mehreren Fuß effizient bleiben muss.
„Die Skalierung ist sehr anspruchsvoll. Materialfehler werden stärker, sodass Sie hochwertige Materialien und bessere Herstellungstechniken benötigen “, erklärte Dr. Luis Ono, Mitautor dieser Studie.
(Links) Die OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit arbeitet mit Solarzellen und Modulen unterschiedlicher Größe. (Rechts) In dieser Studie arbeiteten die Wissenschaftler mit 5 cm x 5 cm großen Solarmodulen.
Die Instabilität von Perowskiten ist ein weiteres zentrales Thema, das intensiv untersucht wird. Kommerzielle Solarzellen müssen jahrelang betrieben werden können, aber derzeit werden Perowskit-Solarzellen schnell abgebaut.
Aufbau der Schichten
Das Team von Professor Qi, das vom Proof-of-Concept-Programm des OIST-Zentrums für Technologieentwicklung und -innovation unterstützt wurde, ging diese Stabilitäts- und Effizienzprobleme mit einem neuen Ansatz an. Perowskit-Solargeräte bestehen aus mehreren Schichten - jede mit einer bestimmten Funktion. Anstatt sich nur auf eine Ebene zu konzentrieren, untersuchten sie die Gesamtleistung des Geräts und die Interaktion der Ebenen miteinander.
Die aktive Perowskitschicht, die Sonnenlicht absorbiert, liegt in der Mitte der Vorrichtung, zwischen den anderen Schichten angeordnet. Wenn Lichtphotonen auf die Perowskitschicht treffen, nutzen negativ geladene Elektronen diese Energie und „springen“ auf ein höheres Energieniveau, wobei positiv geladene „Löcher“ zurückbleiben, in denen sich die Elektronen befanden. Diese Ladungen werden dann in entgegengesetzte Richtungen in Elektronen- und Lochtransportschichten oberhalb und unterhalb der aktiven Schicht umgeleitet. Dadurch entsteht ein Ladungs- oder Stromfluss, der das Solargerät über Elektroden verlassen kann. Das Gerät ist außerdem von einer Schutzschicht eingekapselt, die den Abbau verringert und verhindert, dass giftige Chemikalien in die Umwelt gelangen.
Perowskit-Solarzellen und -Module bestehen aus vielen Schichten, von denen jede eine bestimmte Funktion hat. Die Wissenschaftler haben die orange hervorgehobenen Ebenen hinzugefügt oder geändert.
In der Studie arbeiteten die Wissenschaftler mit Solarmodulen mit einer Größe von 22,4 cm2.
Die Wissenschaftler verbesserten zunächst die Grenzfläche zwischen der aktiven Perowskitschicht und der Elektronentransportschicht, indem sie zwischen den beiden Schichten eine Chemikalie namens EDTAK hinzufügten. Sie fanden heraus, dass EDTAK die Reaktion der Zinnoxid-Elektronentransportschicht mit der aktiven Perowskitschicht verhinderte und die Stabilität des Solarmoduls erhöhte.
Das EDTAK verbesserte auch den Wirkungsgrad des Perowskit-Solarmoduls auf zwei verschiedene Arten. Erstens bewegte sich Kalium in der EDTAK in die aktive Perowskitschicht und „heilte“ winzige Defekte auf der Perowskitoberfläche. Dies verhinderte, dass diese Defekte die sich bewegenden Elektronen und Löcher einfangen und mehr Strom erzeugt werden konnte. Das EDTAK erhöhte auch die Leistung durch Verbesserung der Leitfähigkeitseigenschaften der Zinnoxid-Elektronentransportschicht, wodurch es einfacher wurde, Elektronen aus der Perowskitschicht zu sammeln.
Die Wissenschaftler verbesserten die Grenzfläche zwischen der aktiven Perowskitschicht und der Lochtransportschicht auf ähnliche Weise. Dieses Mal fügten sie zwischen den Schichten eine Art Perowskit namens EAMA hinzu, was die Fähigkeit der Lochtransportschicht verbesserte, Löcher aufzunehmen.
Das mit EAMA behandelte Gerät zeigte auch unter Feuchtigkeits- und Temperaturtests eine bessere Stabilität. Dies war darauf zurückzuführen, wie die EAMA mit der Oberfläche der aktiven Perowskitschicht interagierte, die ein Mosaik aus Kristallkörnern ist. Bei Solargeräten ohne EAMA stellten die Wissenschaftler fest, dass sich auf der Oberfläche der aktiven Schicht Risse bildeten, die von den Grenzen zwischen diesen Körnern herrührten. Als die Wissenschaftler EAMA hinzufügten, beobachteten sie, dass das zusätzliche Perowskitmaterial die Korngrenzen füllte und das Eindringen von Feuchtigkeit verhinderte, wodurch die Bildung dieser Risse verhindert wurde.
Das Team modifizierte auch die Lochtransportschicht selbst, indem es eine kleine Menge Polymer namens PH3T einmischte. Dieses Polymer erhöhte die Feuchtigkeitsbeständigkeit, indem es der Schicht wasserabweisende Eigenschaften verlieh.
Das Polymer löste auch ein Hauptproblem, das zuvor Verbesserungen der Langzeitstabilität behinderte. Die Elektrode auf dem Perowskit-Solarmodul besteht aus dünnen Goldstreifen. Mit der Zeit wandern jedoch winzige Goldpartikel von der Elektrode durch die Lochtransportschicht in die aktive Perowskitschicht. Dies beeinträchtigt die Leistung des Geräts irreversibel.
Als die Forscher PH3T einbauten, stellten sie fest, dass die Goldpartikel langsamer in das Gerät wanderten, was die Lebensdauer des Moduls erheblich verlängerte.
Für ihre endgültige Verbesserung fügten die Wissenschaftler zusätzlich zu Glas eine dünne Schicht des Polymers Parylen hinzu, um das Solarmodul mit einer Schutzbeschichtung zu versehen. Mit diesem zusätzlichen Schutz behielten die Solarmodule auch nach 2000 Stunden konstanter Beleuchtung etwa 86% ihrer ursprünglichen Leistung bei.
In Zusammenarbeit mit Dr. Said Kazaoui vom Nationalen Institut für fortgeschrittene industrielle Wissenschaft und Technologie (AIST) testete das OIST-Team die verbesserten Solarmodule und erzielte einen Wirkungsgrad von 16,6% - ein sehr hoher Wirkungsgrad für ein Solarmodul dieser Größe. Die Forscher wollen diese Modifikationen nun an größeren Solarmodulen durchführen und damit den Weg für die künftige Entwicklung einer kommerziellen Großsolartechnologie weisen.
