Perowskit-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 25 % - ähnlich wie bei Siliziumzellen.

Einem japanischen Forscherteam ist es gelungen, eine Methode zur Herstellung eines der schwer fassbaren Materialien zu entwickeln, die für die Produktion von Perowskit-Solarzellen unerlässlich sind. Das Team, das sich aus Wissenschaftlern der Energy Materials and Surface Sciences Unit der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University zusammensetzt, hat erfolgreich eine innovative Methode zur Herstellung eines wichtigen Rohstoffs für die Produktion von Perowskit-Solarzellen entwickelt, die die nächste Generation grüner Energielösungen voranbringen könnte.

Wie würde die Herstellung von Perowskit-Solarzellen den Energiesektor revolutionieren?

Perowskit-Solarzellen sind in der Lage, die Branche der erneuerbaren Energien zu verändern und die weltweite Abhängigkeit von umweltschädlichen Energiequellen wie der Verbrennung endlicher fossiler Brennstoffe zu verringern. Die Gewährleistung einer effizienten Produktion von Perowskit-Solarzellen könnte der vielversprechendste Durchbruch auf dem Weg zu einer nachhaltigen Energiequelle der Zukunft sein, da sie im Gegensatz zu anderen Methoden von der unendlichen Energiequelle gespeist werden, die der Menschheit zur Verfügung steht: der Sonne.

Durch die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität sind Perowskit-Kragenzellen vielseitig einsetzbar und können, sobald sie aus ihrer winzigen Größe herausgewachsen sind, zu Modulen verarbeitet werden, die zum Aufladen von Batterien und zum Betreiben von Lampen verwendet werden können und das Potenzial haben, in Zukunft die Hauptenergiequelle für Gebäude zu sein. Das traditionell für die Herstellung von Solarzellen verwendete Material ist jedoch Silizium, was ihre Herstellung im Vergleich zu anderen Energiequellen unwirtschaftlich macht.

Das Hauptmaterial für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen - Metallhalogenid-Perowskit - stellt dagegen eine finanziell günstigere Alternative dar, da es das Sonnenlicht effizient in Energie umwandelt, aber zu einem Bruchteil der Kosten. Perowskit-Solarzellen haben eine Reihe von zusätzlichen Vorteilen, da sie aufgrund ihrer starren und flexiblen Substratzusammensetzung leicht und formbar sind. Um in großem Maßstab produziert werden zu können, müssen sie jedoch in Bezug auf Größe, Lebensdauer und Effizienz verbessert werden.

Dr. Guoqing Tong, Postdoktorandin in der Abteilung, sagte: "In Perowskiten gibt es ein notwendiges kristallines Pulver namens FAPbI3, das die Absorberschicht des Perowskits bildet. Bisher wurde diese Schicht durch die Kombination von zwei Materialien - PbI2 und FAI - hergestellt. Durch die dabei stattfindende Reaktion entsteht FAPbI3. Aber diese Methode ist alles andere als perfekt. Häufig bleiben Reste eines oder beider Ausgangsmaterialien übrig, was die Effizienz der Solarzelle beeinträchtigen kann.

Eine neue Strategie entwerfen.

Um dieses Hindernis zu überwinden, wendete das Team eine präzisere pulvertechnische Methode zur Synthese des kristallinen Pulvers an, wobei es zwar immer noch eines der PBI2 verwendete, aber zusätzliche Schritte durchführte, um sicherzustellen, dass das fertige Pulver von außergewöhnlicher Qualität und strukturell perfekt war, indem es die Mischung auf 90 Grad Celsius erhitzte und etwaige Reste herausreinigte.

Herstellung von Perowskit-Solarzellen.

Die neuartige Methode erhöhte die Stabilität des Perowskits über verschiedene Temperaturen hinweg, denn obwohl die Absorberschicht bei hohen Temperaturen stabil war, verfärbte sie sich bei Raumtemperatur von braun zu gelb, was ihre Fähigkeit, Licht zu absorbieren, reduzierte, während die synthetisierte Version bei Raumtemperatur braun blieb. Obwohl die Forscher bereits Perowskit-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 25 % - ähnlich wie bei Siliziumzellen - entwickelt haben, müssen diese in Bezug auf Größe und Langzeitstabilität verbessert werden, um in kommerziellem Maßstab rentabel zu sein.

"In Perowskiten gibt es ein notwendiges kristallines Pulver namens FAPbI3, das die Absorberschicht des Perowskits bildet", erklärt Professor Yabing Qi, der Leiter der Studie. Zuvor wurde diese Schicht durch die Kombination von zwei Materialien - PbI2 und FAI - hergestellt. Durch die dabei stattfindende Reaktion entsteht FAPbI3. Diese Methode ist jedoch alles andere als perfekt. Häufig bleiben Reste eines oder beider Ausgangsmaterialien übrig, die den Wirkungsgrad der Solarzelle beeinträchtigen können".

Das synthetisierte kristalline Perowskit-Pulver zeigte in der Solarzelle einen Umwandlungswirkungsgrad von über 23 %, eine Lebensdauer von mehr als 2000 Stunden und einen Wirkungsgrad von über 14 %, als das Solarmodul auf 5x5 cm2 vergrößert wurde.

Dr. Tong sagte: "Diese Ergebnisse sind ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu effizienten und stabilen Solarzellen und -modulen auf Perowskit-Basis, die eines Tages auch außerhalb des Labors eingesetzt werden könnten. Unser nächster Schritt ist die Herstellung eines Solarmoduls, das 15x15cm2 groß ist und einen Wirkungsgrad von über 15 % hat. Ich hoffe, dass wir eines Tages ein Gebäude am OIST mit unseren Solarmodulen mit Strom versorgen können."