Den Weg für die Kommerzialisierung von Perowskitsolarzellen ebnen
Perowskitsolarzellen sind eine revolutionäre Technologie, die zu enormen Fortschritten im Bereich grüner Energie beitragen könnte. In der Photovoltaik-Industrie (PV-Industrie) herrschen derzeit siliziumbasierte Technologien vor, doch Solarzellen auf der Grundlage von Perowskiten – einer Gruppe menschgemachter Kristalle – könnten das drastisch ändern und möglicherweise deutlich mehr Effizienz zu einem Bruchteil der Kosten bieten. Bei Perowskit-PV-Zellen kommt eine ultradünne Schicht von Halbleitermaterial zum Einsatz. Derzeit erreichen sie eine Leistung von bis zu 25,7 %; das entspricht fast den 26,7 % der siliziumbasierten Zellen, die im Laufe der letzten sechs Jahrzehnte der Forschung und Entwicklung erreicht wurden. Doch die Perowskit-Zellen erreichten diesen Meilenstein in gerade einmal einem Jahrzehnt. Trotz dieser rasanten Erfolge stehen der Wettbewerbsfähigkeit dieser Solartechnologie auf kommerziellen Märkten noch einige Hürden im Weg. Ein zentrales Problem ist, dass Perowskite anfällig für Umweltschäden sind und zur Zersetzung neigen. Zum Schutz werden die Solarzellen mit 2D-Materialien abgedeckt, die als Übergangsmetall-Dichalkogenide bekannt sind – das sind Halbleiterschichten in Atomdicke, die aus einem Graphen-ähnlichen Material hergestellt werden. Diese Schichten verbessern die Stabilität und Leistung der Solarzellen sowie deren elektronische Kommunikation. „Das wiederum verbessert die Spannung und somit die Leistung der Geräte“, berichtet Shahzada Ahmad, Professor bei BCMaterials, Universität des Baskenlandes. Diese 2D-Materialien verfügen jedoch über eine schlechte vertikale Leitfähigkeit, sodass Mehrfachschichten für stabile, hochleistungsfähige Perowskitsolarzellen nicht möglich sind.
Einführung der Zwischenschicht und innovativer Moleküle
Ahmad und sein Team haben im Rahmen des EU-finanzierten Projekts SMILIES daran gearbeitet, diese Herausforderung zu überwinden. Sie verwendeten Moleküle, um die Lücke der elektronischen Konnektivität zu überbrücken und die vertikale Leitfähigkeit zu verbessern. „Wir setzten eine Schicht in Dicke von nur ein paar Atomen ein, die auf die Perowskite aufgetragen wird. Das minimiert die Energieschranke und statische Aufladung an der Schnittstelle. Das wiederum intensiviert die Energiegewinnung und verbessert die Dynamik des Ladungstransfers“, erklärt Ahmad, der Projektkoordinator von SMILIES. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert.
Testung der neuen Molekülschicht
Das Team hat über das SMILIES-Projekt mehrere Versuche mit der neuen Technologie durchgeführt und dabei die Stabilität der Solarzellen verbessert und die Gesamtkosten gesenkt. „Die Laborergebnisse der Versuche sind recht erfolgreich und reproduzierbar“, kommentiert Ahmad. „Wir haben außerdem ein Protokoll kostenfrei öffentlich verfügbar gemacht, sodass die Arbeit leicht reproduziert werden kann und Erkenntnisse über die Fertigung von Solarzellen gewonnen werden können.“ Das Team analysierte auch die Arbeitsmechanismen des Geräts mithilfe der Admittanz-Spektroskopie, mit der der Ladungstransfer gemessen wird. Anhand von maschinellem Lernen prognostizierten sie die Leistung der Perowskite und der neuen Schichten. Im Großen und Ganzen bedeutet ihr Erfolg, dass sie die Zuverlässigkeit einer Perowskitzelle, gemessen bei realen Bedingungen, erhöhen konnten.
Eine vielseitige Technologie
„Für Perowskitsolarzellen braucht man nur eine winzige Menge Material“, ergänzt Ahmad. „Die Dicke des Geräts beträgt weniger als 1 Mikron und die Dicke der Perowskite liegt bei knapp 500 nm. Perowskite können aus einer Lösung abgelagert werden, sodass sie bei geringeren Einrichtungs- und Fertigungskosten produziert werden können.“ Sie können also sogar in Tinte umgewandelt und mit normaler Druckertechnologie gedruckt, in Stoffe eingearbeitet oder sogar zu Baustoffen hinzugefügt werden. Ahmad wird mit Unterstützung eines Zuschusses des Europäischen Forschungsrates weiter an der Technologie arbeiten. „Wir optimieren die Schnittstelle mit anderen innovativen Materialien als Graphen. Die Schnittstelle ist von zentraler Bedeutung, denn sie ist ‚das Herz‘ elektronischer Geräte“, sagt er.
Schlüsselbegriffe
SMILIES, solar, Perowskite, kommerziell, Märkte, Schicht, Ladung