Mit effizienten und sicheren Perowskit-Solarzellen auf dem Weg in die Zukunft der Solarenergie
Solarzellen aus Perowskit (ein Kristall aus drei Bestandteilen) könnten dem Photovoltaiksektor den nötigen Antrieb geben. Der Vorteil von Solarzellen besteht darin, dass sie halbtransparent gefertigt werden können und gleichzeitig im Vergleich zu traditionellen Silizium-Solarzellen ein wesentlich besseres Verhältnis zwischen Kilowattstunden und Nennleistung aufweisen. Das EU-finanzierte Projekt GOTSolar entwickelte neue Perowskit-Formulierungen, die stabil und einfach herzustellen waren, während sie sehr hohe photovoltaische Wirkungsgrade zeigten. Dazu gehörte eine sogenannte „Dreifachkationen“-Rezeptur, die nun auf dem Gebiet Standard ist. Im Laufe des Projekts wurde zudem ein lasergestütztes Glasversiegelungsverfahren bei einer Temperatur von rund 85 °C konzipiert. Auch dieser Prozess gilt als ein Meilenstein der Entwicklung. Diese Erfindung gestattet die Verkapselung sehr effizienter Perowskit-Solarzellen ohne entweichendes Blei, was sie zur stabileren und sichereren Alternative werden lässt. Neue Werkstoffe und Prozesse GOTSolar nutzte ein Metalloxidgerüst zum Halten des Perowskits, wobei die Mesostruktur die Perowskit-Kristallisation unterstützt, was ein äußerst effizientes System zum Lichtsammeln ergibt. Die Baugruppe wurde mit Festkörper-Lochtransportmaterialien (Hole Transport Materials, HTM) und einer Gegenelektrode vollendet. „Bei einem Halbleiter, der Licht absorbiert, wird ein Elektron mit geringer Energie auf ein höheres Energieniveau gehoben, was ein ‚Loch‘ im niedrigen Energieniveau hinterlässt“, erklärt Projektkoordinator Prof. Adelio Mendes. „Das angeregte Elektron kann zu jeder Oberfläche des Halbleiters fließen, aber es kann die Grenzfläche nur dann überqueren, wenn es auf der anderen Seite eine Elektronenextraktionsschicht, in diesem Fall Titandioxid, gibt. Das „Loch“ kann zu jeder Oberfläche fließen, jedoch nur mit einem Lochtransportmaterial die Grenzfläche durchqueren.“ Die Wechselwirkungen zwischen der Elektronenextraktionsschicht, dem Metalloxidgerüst, dem Perowskit-Absorber und der Lochtransportmaterialschicht wurden untersucht und gemessen, um die Umstände zu ermitteln, unter denen die Elektronen und die Lochsammlung die gesamte Baugruppe optimal funktionieren lassen. Diese Arbeit versetzte das Team in die Lage, die photovoltaische Energieumwandlungsleistung der Vorrichtung in Laborgröße auf 23,25 % zu steigern und Bauelemente herzustellen, die unterhalb von 85 °C 500 Stunden stabil sind. Außerdem wurden bleifreie Lichtabsorber in Form von Zellen in Laborgröße entwickelt, die einen Wirkungsgrad von 14 % erreichten. Es wurde ein 16 cm2 großer, glasgekapselter Prototyp gebaut, um die Skalierbarkeit der Fertigung für die ersten Perowskit-Solarmodule mit einer Energieeffizienz von 12,5 % und einer potenziellen Lebensdauer von 20 Jahren zu demonstrieren. Bei GOTSolar wird damit gerechnet, dass die ersten Module aus Perowskit-Solarzellen bis 2020 kommerziell verfügbar sein werden. Mit weniger mehr erreichen Eine Hauptanwendung der Technik wird nicht ans Netz angeschlossene Gebäude betreffen. Um dies zu realisieren, müssen die Betriebskosten geringer als bei traditionellen Häusern sein. In den südlichen, sonnigeren Ländern ist das selbstverständlich einfacher zu bewerkstelligen. „Für die nord- und mitteleuropäischen Länder werden die neuen Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen den entscheidenden Ausschlag geben, da sie voraussichtlich rund 30 % des Wirkungsgrades aufweisen und dabei mehr Strom aus einer kleineren Photovoltaikfläche erzeugen werden“, sagt Prof. Mendes. Der größte Beitrag des Projekts GOTSolar bestand darin, diese Photovoltaikzellen durch die lokale Produktion deutlich günstiger werden zu lassen. Das Team beschäftigt sich weiterhin mit der Erforschung der grundlegenden Eigenschaften von Perowskit-Solarzellen, um neue Rezepturen und Architekturen sowie neue Lochtransportmaterialien und elektrisch leitfähige und transparente Glassubstrate zu entwickeln. Es verfolgt außerdem neue Fertigungsstrategien, während gleichzeitig der Prozess der Verkapselung mittels Glasversiegelung hin zu effizienteren, kostengünstigeren, robusten und ästhetischen Bauelementen verbessert wird.
Schlüsselbegriffe
GOTSolar, Sonnenenergie, Perowskit, photovoltaisch, Verkapselung, Metalloxid, Elektron, Sonne
