Ein internationales Team, dem Forscher der Fakultät für Angewandte Wissenschaft und Ingenieurwesen der University of Toronto angehören, hat eine Perowskit-Solarzelle entwickelt, die hohen Temperaturen mehr als 1.500 Stunden standhalten kann – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg dieser neuen Technologie zur kommerziellen Anwendung.
Die Ergebnisse des Teams wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.
„Perowskit-Solarzellen bieten neue Wege, um einige der Effizienzbeschränkungen der siliziumbasierten Technologie zu überwinden, die heute der Industriestandard ist“, sagt Ted Sargent, Universitätsprofessor an der Edward S. Rogers Sr.-Abteilung für Elektro- und Computertechnik, der kürzlich den Abteilungen für Chemie sowie Elektro- und Computertechnik an der Northwestern University beigetreten ist.
„Aber aufgrund seines jahrzehntelangen Vorsprungs hat Silizium in einigen Bereichen immer noch einen Vorteil, unter anderem in der Stabilität. Diese Studie zeigt, wie wir diese Lücke schließen können.“
Herkömmliche Solarzellen bestehen aus hochreinen Siliziumwafern, deren Herstellung energieintensiv ist. Zudem können sie nur bestimmte Teile des Sonnenspektrums absorbieren.
Im Gegensatz dazu bestehen Perowskit-Solarzellen aus Schichten nanoskaliger Kristalle, wodurch sie für kostengünstigere Herstellungsverfahren besser geeignet sind. Durch die Anpassung der Größe und Zusammensetzung dieser Kristalle können Forscher auch die Wellenlängen des von ihnen absorbierten Lichts anpassen.
Es ist auch möglich, Perowskit-Schichten übereinander oder sogar auf Silizium-Solarzellen abzuscheiden, wodurch diese einen größeren Teil des Sonnenspektrums nutzen und ihre Effizienz weiter steigern können.
In den letzten Jahren haben Fortschritte in Sargents Labor und anderen dazu geführt, dass der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen in den gleichen Bereich gebracht wurde wie der, der mit Silizium erreichbar ist. Der Herausforderung der Stabilität wurde jedoch vergleichsweise weniger Aufmerksamkeit geschenkt.
„Wir wollten bei hohen Temperaturen und hoher relativer Luftfeuchtigkeit arbeiten, weil wir dadurch eine bessere Vorstellung davon bekommen würden, welche Komponenten zuerst ausfallen könnten und wie wir sie verbessern können“, sagt So Min Park, Postdoktorand in Sargents Labor und einer von drei Co-Hauptautoren der Studie.
„Wir haben unser Fachwissen in der Materialentdeckung, Spektroskopie und Geräteherstellung gebündelt, um eine neue Oberflächenbeschichtung für die Oberfläche der Perowskite zu entwerfen und zu charakterisieren. Unsere Daten zeigten, dass es diese mit fluorierten Ammoniumliganden hergestellte Beschichtung ist, die die Stabilität der gesamten Zelle erhöht.“
Perowskit-Solarzellen enthalten typischerweise eine Passivierungsschicht, die die lichtabsorbierende Perowskitschicht umgibt und als Kanal für die Bewegung von Elektronen in den umgebenden Schaltkreis dient.
Abhängig von ihrer Zusammensetzung sowie der Einwirkung von Hitze und Feuchtigkeit kann sich die Passivierungsschicht jedoch so verformen, dass der Elektronenfluss behindert wird.
„Viele Gruppen verwenden Passivierungsschichten aus sperrigen Ammoniumionen, einem stickstoffhaltigen organischen Molekül“, sagt Mingyang Wei, ein Ph.D. Absolvent der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, derzeit Postdoktorand an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne und Co-Hauptautor des Artikels.
„Obwohl sie bei Raumtemperatur stabile 2D-Strukturen bilden, können sich diese Passivierungsschichten bei erhöhten Temperaturen aufgrund ihrer Vermischung mit darunter liegenden Perowskiten zersetzen. Wir haben typische Ammoniumionen durch 3,4,5-Trifluoranilinium ersetzt. Diese neue Passivierungsschicht interkaliert nicht in die Struktur der Perowskit-Kristalle und macht sie dadurch thermisch stabil.“
Anschließend testete das Team die Leistung der Zellen durch kontinuierliche Messungen bei einer Temperatur von 85 Grad Celsius, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 Prozent, Maximum Power Point Tracking und einer Beleuchtung, die vollem Sonnenlicht entspricht. In der Studie wird ein T85-Wert von 1.560 Stunden angegeben – die Zeitspanne, die benötigt wird, bis die Leistung der Zelle auf 85 Prozent ihres ursprünglichen Wertes abgebaut ist.
„Ein typischer Wert für eine solche Perowskit-Zelle läge eher bei 500 Stunden“, sagt Park. „Einige Teams haben über Messungen von mehr als 1.000 Stunden berichtet, jedoch nicht bei so hohen Temperaturen. Unser Design stellt eine große Verbesserung dar und wir waren wirklich begeistert, dass es so gut funktioniert hat.“
Laut Park könnte die Passivierungsschicht des Teams mit anderen Innovationen wie Doppel- oder Dreifach-Junction-Designs kombiniert werden, um die Leistung von Perowskit-Solarzellen weiter zu verbessern.
„Wir haben noch einen langen Weg vor uns, bis wir die Leistung von Silizium vollständig nachbilden können, aber die Fortschritte auf diesem Gebiet waren in den letzten Jahren sehr schnell“, sagt sie.
„Wir bewegen uns in die richtige Richtung und diese Studie wird hoffentlich anderen den Weg weisen.“
Mehr Informationen:
So Min Park et al.: Die Entwicklung der Ligandenreaktivität ermöglicht den Hochtemperaturbetrieb stabiler Perowskit-Solarzellen. Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adi4107