Perowskit-Solarzelle

Was ist ein Perowskit?

Ein Perowskit ist ein Material, das die gleiche Kristallstruktur aufweist wie das Mineral Calcium-Titanoxid, der erste entdeckte Perowskit-Kristall. Im Allgemeinen haben Perowskitverbindungen eine chemische Formel ABX3, wobei ‚A‘ und ‚B‘ Kationen darstellen und X ein Anion ist, das an beide bindet. Eine große Anzahl verschiedener Elemente kann miteinander kombiniert werden, um Perowskitstrukturen zu bilden. Mit dieser kompositorischen Flexibilität können Wissenschaftler Perowskitkristalle mit einer Vielzahl physikalischer, optischer und elektrischer Eigenschaften entwerfen. Perowskitkristalle finden sich heute in Ultraschallgeräten, Speicherchips und jetzt – Solarzellen.

Saubere Energieanwendungen von Perowskiten

Alle photovoltaischen Solarzellen basieren auf Halbleitern — Materialien im Mittelfeld zwischen elektrischen Isolatoren wie Glas und metallischen Leitern wie Kupfer —, um die Energie aus Licht in Elektrizität umzuwandeln. Licht von der Sonne regt Elektronen im Halbleitermaterial an, die in leitende Elektroden fließen und elektrischen Strom erzeugen.

Silizium ist seit den 1950er Jahren das primäre Halbleitermaterial, das in Solarzellen verwendet wird, da seine halbleitenden Eigenschaften gut mit dem Spektrum der Sonnenstrahlen übereinstimmen und relativ häufig und stabil sind. 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 dem Drucken zu einem Bruchteil der Kosten und Energie hergestellt werden. Aufgrund der kompositorischen Flexibilität von Perowskiten können sie auch so abgestimmt werden, dass sie ideal zum Sonnenspektrum passen.

Im Jahr 2012 entdeckten Forscher erstmals, wie eine stabile Dünnschicht-Perowskit-Solarzelle mit Lichtphotonen-zu-Elektronen-Umwandlungswirkungsgraden von über 10% hergestellt werden kann, wobei Bleihalogenid-Perowskite als lichtabsorbierende Schicht verwendet werden. Seitdem ist die Umwandlungseffizienz von Sonnenlicht in elektrische Energie von Perowskit-Solarzellen sprunghaft angestiegen, wobei der Laborrekord bei 25,2% liegt. Die Forscher kombinieren auch Perowskit-Solarzellen mit herkömmlichen Silizium–Solarzellen – die Rekordwirkungsgrade für diese „Perowskit auf Silizium“ -Tandemzellen liegen derzeit bei 29,1% (über dem Rekordwert von 27% für herkömmliche Siliziumzellen) und steigen rasant an. Mit diesem schnellen Anstieg der Zelleffizienz könnten Perowskitsolarzellen und Perowskit-Tandemsolarzellen bald billige, hocheffiziente Alternativen zu herkömmlichen Siliziumsolarzellen werden.

Was sind einige aktuelle Forschungsziele?

Während Perowskit-Solarzellen, einschließlich Perowskit auf Silizium-Tandems, von Dutzenden von Unternehmen weltweit kommerzialisiert werden, gibt es immer noch grundlegende wissenschaftliche und technische Herausforderungen, die ihre Leistung, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit verbessern können.

Einige Perowskitforscher treiben die Umwandlungseffizienz weiter voran, indem sie Defekte im Perowskit charakterisieren. Während Perowskithalbleiter bemerkenswert defekttolerant sind, wirken sich Defekte immer noch negativ auf die Leistung aus – insbesondere auf solche, die an der Oberfläche der aktiven Schicht auftreten. Andere Forscher erforschen neue chemische Perowskitformulierungen, um ihre elektronischen Eigenschaften für spezifische Anwendungen (wie Tandemzellenstapel) 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, um anhand von Studien zur beschleunigten Alterung vorhersagen zu können, wie lange Perowskit-Solarzellen auf Dächern halten werden. Andere erforschen rasch eine Vielzahl von Herstellungsprozessen, einschließlich der Anpassung von Perowskit- „Tinten“ an etablierte großflächige Lösungsdruckverfahren. Schließlich, während die leistungsstärksten Perowskite heute mit einer kleinen Menge Blei hergestellt werden, erforschen Forscher auch alternative Zusammensetzungen und neue Verkapselungsstrategien, um Bedenken im Zusammenhang mit Bleitoxizität zu mindern.

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Wie fördert CEI Perowskite?

Perowskitkristalle weisen häufig Defekte im atomaren Maßstab auf, die die solare Umwandlungseffizienz verringern können. CEI-Chefwissenschaftler und Chemieprofessor David Ginger hat „Passivierungstechniken“ entwickelt, bei denen Perowskite mit verschiedenen chemischen Verbindungen behandelt werden, um diese Defekte zu heilen. Wenn jedoch Perowskitkristalle zu Solarzellen zusammengebaut werden, können die stromsammelnden Elektroden zusätzliche Defekte erzeugen. Im Jahr 2019 erhielten Ginger und Mitarbeiter von Georgia Tech Mittel aus den USA. Das Solar Energy Technologies Office (SETO) des Energieministeriums entwickelt neue Passivierungsstrategien und neue Ladungssammelmaterialien, mit denen Perowskit-Solarzellen ihr volles Effizienzpotenzial erreichen und gleichzeitig mit kostengünstiger Fertigung kompatibel bleiben können.

Chemieprofessor Daniel Gamelin und seine Gruppe wollen Siliziumsolarzellen mit Perowskitbeschichtungen modifizieren, um hochenergetische Photonen des blauen Lichts effizienter zu sammeln und die theoretische Grenze von 33% Umwandlung für herkömmliche Siliziumzellen zu umgehen. Gamelin und sein Team haben Perowskit-Quantenpunkte entwickelt – winzige Partikel, die tausendmal kleiner sind als ein menschliches Haar —, die energiereiche Photonen absorbieren und doppelt so viele niederenergetische Photonen emittieren können, ein Prozess, der als „Quantenschneiden“ bezeichnet wird.“ Jedes Photon, das von einer Solarzelle absorbiert wird, erzeugt ein Elektron, so dass die Perowskit-Quantenpunktbeschichtung die Konversionseffizienz 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 Filme aus Perowskitmaterialien für großflächige Solarzellen und zur Verbesserung herkömmlicher Siliziumsolarzellen zu erzeugen.

Chemieingenieurwesen-Professor Hugh Hillhouse nutzt Algorithmen des maschinellen Lernens, um die Erforschung von Perowskiten zu unterstützen. Mit Hilfe von Photolumineszenz, die durch Hochgeschwindigkeitsvideo aufgenommen wurde, testen Hillhouse und seine Gruppe eine Vielzahl von Hybrid-Perowskiten auf Langzeitstabilität. Diese Experimente erzeugen enorme Datensätze, aber durch maschinelles Lernen wollen sie ein Vorhersagemodell für den Abbau von Perowskit-Solarzellen erstellen. Dieses Modell kann ihnen helfen, den chemischen Aufbau und die Struktur einer Perowskit-Solarzelle für die Langzeitstabilität zu optimieren – eine wichtige Barriere für die Kommerzialisierung.

In den Washington Clean Energy Testbeds, einer Open-Access-Laboreinrichtung des CEI, können Forscher und Unternehmer modernste Geräte einsetzen, um Technologien wie Perowskit-Solarzellen zu entwickeln, zu testen und zu skalieren. Mit dem Rolle-zu-Rolle-Drucker an den Prüfständen können Perowskit-Tinten bei niedrigen Temperaturen auf flexible Substrate gedruckt werden. Testbeds Technical Director J. Devin MacKenzie, Professor für Materialwissenschaften & Ingenieurwesen und Maschinenbau an der UW, ist Experte für Materialien und Techniken für die Herstellung mit hohem Durchsatz und geringem Kohlenstoff-Fußabdruck. Eines der aktivsten Projekte seiner Gruppe, das ebenfalls von SETO finanziert wird, ist die Entwicklung von In-situ-Instrumenten, mit denen das Wachstum von Perowskitkristallen gemessen werden kann, während sie beim Rolle-zu-Rolle-Druck schnell abgeschieden werden. Mit Unterstützung des Joint Center for the Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM) nutzt Mackenzies Gruppe auch den Drucker mit der weltweit höchsten Auflösung, um neue Elektroden zu entwickeln, mit denen elektrischer Strom aus Perowskit-Solarzellen gezogen werden kann, ohne dass Sonnenlicht in die Zelle gelangt.