Perowskit-Solarzellen halten dem Druck stand

(BUSINESS WIRE) -- Infolge der Auswirkungen der globalen Megatrends bei Nachhaltigkeit und sauberer Energie auf unsere Herangehensweise zu Energiestrategien für eine mehr ökologisch orientierte Zukunft unseres Planeten sind erneuerbare Energien wie Wind- und Sonnenenergie führende Forschungsschwerpunkte. Im Bereich der Solartechnologie ist das neue Gebiet der Perowskit-Solarzellen (PSCs) in den letzten anderthalb Jahrzehnten immer beliebter geworden.

In einem von Silizium-Solarzellen dominierten Gebiet muss die relativ neue Technologie der Perowskit-Solarzellen jedoch nicht nur hohe Wirkungsgrade bei der Leistungskonversion bieten (Power Conversion Efficiencies, PCEs), sondern auch zwei weitere entscheidende Anforderungen erfüllen, um erfolgreich vermarktet werden zu können: Stabilität und Skalierbarkeit.

In einem kürzlich in Science veröffentlichten Beitrag haben KAUST-Forschende einen signifikanten Meilenstein durch den ersten erfolgreichen PV-Feuchte-Wärme-Test von PSCs gemeldet.

Der Feuchte-Wärme-Test ist ein beschleunigter, strenger Umweltalterungstest, mit dem die Fähigkeit von Solarmodulen bestimmt werden soll, einer längeren Einwirkung hoher Luftfeuchtigkeit und erhöhter Temperaturen standzuhalten. Der Test wird 1.000 Stunden lang in einer kontrollierten Umgebung mit einer Luftfeuchtigkeit von 85 % bei 85 Grad Celsius durchgeführt. So sollen mehrere Jahre Außenbewitterung repliziert sowie Faktoren wie Korrosion und Delamination ausgewertet werden.

Bestehen des Tests

Die Härte des Tests steht im Einklang mit den Anforderungen für eine Vermarktung von Photovoltaik-Technologien (PV). Bei herkömmlichen kristallinen Siliziummodulen ist eine Garantiezeit von 25 bis 30 Jahren vorgesehen. Um den Test zu bestehen, muss die Solarzelle 95 % ihrer Anfangsleistung behalten.

Unter der Leitung von Randi Azmi, einem Postdoktoranden in Stefaan De Wolfs KAUST Photovoltaiklabor, musste mit dieser Forschung eine anhaltende Schwäche gekapselter PSCs überwunden werden, um ein Auslaufen der Verpackung zu verhindern. Aufgrund der Anfälligkeit von 3D-Perowskitschichten können atmosphärische Stoffe unerwünscht eindringen, und es besteht eine begrenzte Widerstandsfähigkeit gegen Hitze. Die von den KAUST-Forschenden gefundene Lösung besteht in der Entwicklung und Einführung von 2D-Perowskit-Passivierungsschichten zur gleichzeitigen Verbesserung der Wirkungsgrade bei der Leistungskonversion und der Lebensdauer von PSCs.

Können Perowskite Silizium ersetzen?

Die Spezifizität von Perowskiten besteht darin, dass es sich um eine Dünnschichttechnologie handelt. Ebenso wie bei herkömmlichen Solarzellen braucht man weiterhin zwei Kontakte aus bestimmten Materialien. Das eine zieht Elektronen an, das andere hat die Funktion, positiv geladene „Löcher“ anzuziehen, die für die Abwesenheit von Elektronen stehen. Anders als Silizium-Wafer können Perowskite mit Hilfe einer Vorläuferlösung direkt auf ein Glassubstrat beschichtet werden. Die Lösung wird mit einem Lösungsmittel hergestellt, das in einen festen Zustand kristallisiert.

Einer der bedeutenden Vorteile besteht darin, dass Vorläufermaterialien hergestellt werden können, ohne dass dafür teure Anlagen und energieintensive Umgebungen mit über 1.000 Grad erforderlich sind, wie es für herkömmlichere Halbleiter wie Silizium typisch ist.

„Das ist ein sehr einfacher Weg der Herstellung von Solarzellen. Die optoelektronischen Eigenschaften sind zwar nicht einmalig, aber immerhin hervorragend. Sie können mit sehr hochwertigen herkömmlichen Halbleitern mithalten. Das ist durchaus bemerkenswert“, erklärte De Wolf. Durch Änderung der Zusammensetzung kann ferner die spektrale Empfindlichkeit im gesamten Spektrum des Sonnenlichts von UV bis hin zu Infrarot eingestellt werden. Das ist recht attraktiv für bestimmte Anwendungen.

Die Herausforderung besteht dann nach Leistung und Stabilität immer noch in der Skalierbarkeit. Der Schwerpunkt der meisten Solarzellenanwendungen liegt auf Sektoren im Utility-Maßstab sowie auf Dachflächenpaneelen.

„Der Markt basiert auf Silizium und wird mindestens die nächsten 20 Jahre noch auf Silizium basieren“, sagte De Wolf. „Wir konzentrieren uns daher vor allem auf die Verbesserung der Leistung von Perowskit-Solarzellen, um effizientere ʻTandemʼ-Lösungen voranzubringen, bei denen sowohl herkömmliches Silizium als auch Perowskit kombiniert werden. Die aktuellen Ergebnisse werden dabei viel zur Erhöhung der Zuverlässigkeit solcher Perowskit-/Silizium-Tandemsolarzellen beitragen.“

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