Solarmaterialien der nächsten Generation sind billiger und nachhaltiger in der Herstellung als herkömmliche Silizium-Solarzellen, es bestehen jedoch weiterhin Hürden, die Geräte langlebig genug zu machen, um den realen Bedingungen standzuhalten. Eine von einem Team internationaler Wissenschaftler entwickelte neue Technik könnte die Entwicklung effizienter und stabiler Perowskit-Solarzellen vereinfachen, die nach ihrer einzigartigen Kristallstruktur benannt sind, die sichtbares Licht hervorragend absorbiert.
Die Wissenschaftler, darunter der Penn State-Fakultätsstudent Nelson Dzade, berichteten in der Zeitschrift Naturenergie ihre neue Methode zur Herstellung langlebigerer Perowskit-Solarzellen, die dennoch einen hohen Wirkungsgrad von 21,59 % bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität erreichen.
Laut Dzade, Assistenzprofessor für Energie- und Mineraltechnik an der John and Willie Leone University, sind Perowskite eine vielversprechende Solartechnologie, da die Zellen bei Raumtemperatur mit weniger Energie als herkömmliche Siliziummaterialien hergestellt werden können, was sie erschwinglicher und nachhaltiger macht Family Department of Energy and Mineral Engineering und Mitautor der Studie.
Die führenden Kandidaten für die Herstellung dieser Geräte, hybride organisch-anorganische Metallhalogenide, enthalten jedoch organische Komponenten, die anfällig für Feuchtigkeit, Sauerstoff und Hitze sind, und die Einwirkung realer Bedingungen kann zu einem schnellen Leistungsabfall führen, sagten die Wissenschaftler.
Eine Lösung besteht darin, stattdessen auf rein anorganische Perowskit-Materialien wie Cäsium-Blei-Jodid umzusteigen, das gute elektrische Eigenschaften und eine bessere Toleranz gegenüber Umweltfaktoren aufweist. Allerdings ist dieses Material polymorph, das heißt, es weist mehrere Phasen mit unterschiedlichen Kristallstrukturen auf. Zwei der photoaktiven Phasen sind gut für Solarzellen, können sich jedoch bei Raumtemperatur leicht in eine unerwünschte, nicht photoaktive Phase umwandeln, was zu Defekten führt und die Effizienz der Solarzelle beeinträchtigt, sagten die Wissenschaftler.
Die Wissenschaftler kombinierten die beiden photoaktiven Polymorphe von Cäsiumbleiodid, um einen Phasen-Heteroübergang zu bilden, der die Umwandlung in die unerwünschte Phase unterdrücken kann, sagten die Wissenschaftler. Heteroübergänge entstehen durch das Stapeln verschiedener Halbleitermaterialien, ähnlich wie Schichten in einer Solarzelle, mit unterschiedlichen optoelektronischen Eigenschaften. Diese Verbindungen in Solargeräten können so angepasst werden, dass sie dabei helfen, mehr Energie von der Sonne zu absorbieren und sie effizienter in Strom umzuwandeln.
„Das Schöne an dieser Arbeit ist, dass sie zeigt, dass die Herstellung von Phasen-Heteroübergangs-Solarzellen unter Verwendung zweier Polymorphe desselben Materials der richtige Weg ist“, sagte Dzade. „Es verbessert die Materialstabilität und verhindert eine gegenseitige Umwandlung zwischen den beiden Phasen. Die Bildung einer kohärenten Grenzfläche zwischen den beiden Phasen ermöglicht einen einfachen Elektronenfluss durch das Gerät, was zu einer verbesserten Leistungsumwandlungseffizienz führt. Das haben wir in dieser Arbeit demonstriert.“ “
Die Forscher stellten ein Gerät her, das einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 21,59 % erreichte, einer der höchsten für diese Art von Ansatz berichteten, und eine ausgezeichnete Stabilität. Die Geräte behielten nach 200 Stunden Lagerung unter Umgebungsbedingungen mehr als 90 % der ursprünglichen Effizienz bei, sagte Dzade.
„Bei der Skalierung von einem Labor auf ein reales Solarmodul zeigte unser Design einen Stromumwandlungswirkungsgrad von 18,43 % für eine Solarzellenfläche von mehr als 7 Quadratzoll (18,08 Quadratzentimeter)“, sagte Dzade. „Diese ersten Ergebnisse unterstreichen das Potenzial unseres Ansatzes, ultragroße Perowskit-Solarzellenmodule zu entwickeln und deren Stabilität zuverlässig zu bewerten.“
Dzade modellierte die Struktur und die elektronischen Eigenschaften des Heteroübergangs auf atomarer Ebene und stellte fest, dass durch die Zusammenführung der beiden photoaktiven Phasen eine stabile und kohärente Grenzflächenstruktur entsteht, die eine effiziente Ladungstrennung und -übertragung fördert – wünschenswerte Eigenschaften für die Erzielung hocheffizienter Solargeräte.
Dzades Kollegen an der Chonnam-Universität in Südkorea entwickelten die einzigartige duale Abscheidungsmethode zur Herstellung des Geräts – wobei eine Phase mit einer Heißlufttechnik und die andere mit einer Dreifachquellen-Wärmeverdampfung abgeschieden wird. Die Zugabe kleiner Mengen molekularer und organischer Zusatzstoffe während des Abscheidungsprozesses verbesserte die elektrischen Eigenschaften, die Effizienz und die Stabilität des Geräts weiter, sagte Sawanta S. Mali, Forschungsprofessorin an der Chonnam-Universität in Südkorea und Hauptautorin des Papiers.
„Wir glauben, dass die duale Abscheidungstechnik, die wir in dieser Arbeit entwickelt haben, wichtige Auswirkungen auf die künftige Herstellung hocheffizienter und stabiler Perowskit-Solarzellen haben wird“, sagte Nelson Dzade, Assistenzprofessor für Energie- und Mineraltechnik am John and Willie Leone Family Department of Energy und Mineral Engineering und Co-Autor der Studie.
Die Forscher sagten, dass die duale Abscheidungstechnik den Weg für die Entwicklung zusätzlicher Solarzellen ebnen könnte, die ausschließlich auf anorganischen Perowskiten oder anderen Halogenid-Perowskit-Zusammensetzungen basieren. Zukünftige Arbeiten werden nicht nur die Technik auf verschiedene Zusammensetzungen erweitern, sondern auch darin bestehen, die aktuellen Phasen-Heteroübergangszellen unter realen Bedingungen haltbarer zu machen und sie auf die Größe herkömmlicher Solarmodule zu skalieren, sagten die Forscher.
„Mit diesem Ansatz glauben wir, dass es in naher Zukunft möglich sein sollte, die Effizienz dieses Materials auf über 25 % zu steigern“, sagte Dzade. „Und wenn wir das schaffen, rückt die Kommerzialisierung sehr nahe.“
Mehr Informationen:
Sawanta S. Mali et al., Vollanorganische Perowskit-Solarzellen mit Phasenheteroübergang erreichen einen Wirkungsgrad von über 21,5 %, Naturenergie (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01310-y