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Einst als vergänglich angesehen, beweist eine neue Solartechnologie ihre dauerhafte Leistungsfähigkeit

Publiziert: 16. Juni, 2022
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30-Jahres-Perowskit-Solarzellen und der neue Ansatz, sie auf ihre Langlebigkeit zu testen

Forscher von Princeton Engineering haben die erste Perowskit-Solarzelle mit einer kommerziell nutzbaren Lebensdauer entwickelt und damit einen wichtigen Meilenstein für eine aufstrebende Klasse von Technologien für erneuerbare Energien gesetzt. Das Team geht davon aus, dass ihr Gerät rund 30 Jahre lang über den Industriestandards arbeiten kann, weit mehr als die 20 Jahre, die als Schwelle für die Lebensfähigkeit von Solarzellen gelten.

Das Gerät ist nicht nur äußerst langlebig, sondern erfüllt auch die üblichen Effizienzstandards. Es ist das erste seiner Art, das mit der Leistung von Zellen auf Siliziumbasis mithalten kann, die den Markt seit ihrer Einführung im Jahr 1954 beherrschen.

Perowskite sind Halbleiter mit einer besonderen Kristallstruktur, die sie für die Solarzellentechnologie besonders geeignet macht. Sie können bei Raumtemperatur hergestellt werden und verbrauchen dabei viel weniger Energie als Silizium, was ihre Herstellung billiger und nachhaltiger macht. Und während Silizium steif und undurchsichtig ist, können Perowskite flexibel und transparent gemacht werden, so dass die Solarenergie weit über die ikonischen Paneele hinausgeht, die an Hängen und auf Dächern in ganz Amerika zu sehen sind.

Doch im Gegensatz zu Silizium sind Perowskite notorisch zerbrechlich. Frühe Perowskit-Solarzellen (PSC), die zwischen 2009 und 2012 entwickelt wurden, hielten nur wenige Minuten. Die prognostizierte Lebensdauer des neuen Geräts stellt eine Verfünffachung des bisherigen Rekords dar, der von einer PSC mit geringerem Wirkungsgrad im Jahr 2017 aufgestellt wurde. (Dieses Gerät arbeitete ein Jahr lang unter Dauerbeleuchtung bei Raumtemperatur. Das neue Gerät würde unter ähnlichen Laborbedingungen fünf Jahre lang funktionieren.)

Das Princeton-Team unter der Leitung von Lynn Loo, der Theodora D. ’78 und William H. Walton III ’74 Professorin für Ingenieurwissenschaften, stellte sein neues Gerät und seine neue Methode zum Testen solcher Geräte in einem am 16. Juni in Science veröffentlichten Artikel vor.

Loo sagte, das rekordverdächtige Design habe das dauerhafte Potenzial von PSCs hervorgehoben, insbesondere als Möglichkeit, die Solarzellentechnologie über die Grenzen von Silizium hinaus zu erweitern. Sie wies aber auch auf die tiefere Bedeutung der Arbeit hin, die über das Rekordergebnis hinausgeht, nämlich auf die neue Technik der beschleunigten Alterung ihres Teams.

“Wir mögen heute den Rekord halten”, sagte sie, “aber morgen wird jemand anderes mit einem besseren Ergebnis daherkommen. Das wirklich Spannende ist, dass wir jetzt eine Möglichkeit haben, diese Geräte zu testen und zu wissen, wie sie sich langfristig verhalten werden.

Aufgrund der bekannten Schwäche von Perowskiten waren Langzeittests bisher kein großes Thema. Doch je besser und langlebiger die Geräte werden, desto wichtiger wird es sein, ein Design gegen ein anderes zu testen, um langlebige, verbraucherfreundliche Technologien auf den Markt zu bringen.

“Diese Arbeit wird wahrscheinlich ein Prototyp für jeden sein, der die Leistung an der Schnittstelle von Effizienz und Stabilität analysieren will”, sagte Joseph Berry, ein Senior Fellow am National Renewable Energy Laboratory, der sich auf die Physik von Solarzellen spezialisiert hat und nicht an dieser Studie beteiligt war. “Indem wir einen Prototyp herstellen, um die Stabilität zu untersuchen, und zeigen, was [durch beschleunigte Tests] extrapoliert werden kann, leisten wir die Arbeit, die jeder sehen möchte, bevor wir mit Feldtests im großen Maßstab beginnen. So kann man auf eine wirklich beeindruckende Weise projizieren.

Während sich die Effizienz in den letzten zehn Jahren in bemerkenswertem Tempo gesteigert hat, so Berry, hat sich die Stabilität dieser Geräte langsamer verbessert. Damit sie sich durchsetzen und von der Industrie eingesetzt werden können, müssen die Tests noch ausgefeilter werden. Hier kommt das beschleunigte Alterungsverfahren von Loo ins Spiel.

“Diese Art von Tests wird immer wichtiger werden”, sagte Loo. “Man kann die effizientesten Solarzellen herstellen, aber es wird nichts nützen, wenn sie nicht stabil sind.

Wie sie hierher kamen

Anfang 2020 arbeitete Loos Team an verschiedenen Gerätearchitekturen, die einen relativ hohen Wirkungsgrad aufweisen – d. h. genügend Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, um sie wertvoll zu machen – und den Ansturm von Hitze, Licht und Feuchtigkeit überstehen, dem eine Solarzelle während ihrer Lebensdauer ausgesetzt ist.

Xiaoming Zhao, ein Postdoktorand in Loos Labor, hatte mit Kollegen an einer Reihe von Entwürfen gearbeitet. Dabei wurden verschiedene Materialien übereinander geschichtet, um die Lichtabsorption zu optimieren und gleichzeitig die empfindlichsten Bereiche vor Belichtung zu schützen. Sie entwickelten eine ultradünne Abdeckschicht zwischen zwei entscheidenden Komponenten: der absorbierenden Perowskit-Schicht und einer ladungstragenden Schicht aus Kupfersalz und anderen Substanzen. Ziel war es, den Perowskit-Halbleiter davor zu bewahren, innerhalb weniger Wochen oder Monate auszubrennen, wie es damals üblich war.

Es ist schwer zu begreifen, wie dünn diese Deckschicht ist. Wissenschaftler verwenden den Begriff 2D, um sie zu beschreiben, d. h. zwei Dimensionen, als ob sie überhaupt keine Dicke hätte. In Wirklichkeit ist sie nur ein paar Atome dick – mehr als eine Million Mal kleiner als das kleinste Ding, das das menschliche Auge sehen kann. Die Idee einer 2D-Deckschicht ist zwar nicht neu, gilt aber dennoch als vielversprechende, aufstrebende Technik. Wissenschaftler am NREL haben gezeigt, dass 2D-Schichten die Langstreckenleistung erheblich verbessern können, aber niemand hatte ein Gerät entwickelt, das Perowskite auch nur in die Nähe der kommerziellen Schwelle von 20 Jahren Lebensdauer brachte.

Zhao und seine Kollegen untersuchten zahlreiche Permutationen dieser Entwürfe, veränderten winzige Details in der Geometrie, variierten die Anzahl der Schichten und probierten Dutzende von Materialkombinationen aus. Jedes Design kam in den Lichtkasten, wo sie die empfindlichen Bauteile mit unerbittlich hellem Licht bestrahlen und ihren Leistungsabfall im Laufe der Zeit messen konnten.

Im Herbst desselben Jahres, als die erste Welle der Pandemie abebbte und die Forscher in ihre Labors zurückkehrten, um sich in sorgfältig koordinierten Schichten um ihre Experimente zu kümmern, bemerkte Zhao etwas Seltsames an den Daten. Ein Satz der Geräte schien immer noch nahe an seiner maximalen Effizienz zu arbeiten.

“Nach fast einem halben Jahr gab es praktisch keinen Abfall mehr”, sagte er.

Da wurde ihm klar, dass er eine Möglichkeit brauchte, sein Gerät schneller zu testen, als es sein Echtzeit-Experiment zuließ.

“Die von uns angestrebte Lebensdauer beträgt etwa 30 Jahre, aber man kann sich nicht 30 Jahre Zeit nehmen, um ein Gerät zu testen”, so Zhao. “Wir brauchen also eine Möglichkeit, diese Lebensdauer innerhalb eines vernünftigen Zeitrahmens vorherzusagen. Deshalb ist diese beschleunigte Alterung sehr wichtig.”

Bei der neuen Testmethode wird der Alterungsprozess beschleunigt, indem das Gerät beleuchtet und gleichzeitig mit Hitze bestrahlt wird. Dieser Prozess beschleunigt die natürliche Alterung, die bei regelmäßiger Exposition über Jahre hinweg stattfinden würde. Die Forscher wählten vier Alterungstemperaturen aus und maßen die Ergebnisse über diese vier verschiedenen Datenströme, von der Grundtemperatur eines typischen Sommertages bis zu einer Extremtemperatur von 230 Grad Fahrenheit, höher als der Siedepunkt von Wasser.

Anschließend extrapolierten sie die kombinierten Daten und prognostizierten die Leistung des Geräts bei Raumtemperatur über Zehntausende von Stunden kontinuierlicher Beleuchtung. Die Ergebnisse zeigten, dass das Gerät bei kontinuierlicher Beleuchtung mindestens fünf Jahre lang bei einer Durchschnittstemperatur von 95 Grad Celsius mehr als 80 Prozent seines Spitzenwirkungsgrads erreichen würde. Unter Verwendung von Standard-Umrechnungsmetriken sagte Loo, dass dies dem Laboräquivalent von 30 Jahren Betrieb im Freien in einer Gegend wie Princeton, NJ, entspricht.

Berry of NREL concurred. “It’s very credible,” he said. “Some people are still going to want to see it play out. But this is much more credible science than a lot of other attempts at forecasting.”

Der Michael Jordan der Solarzellen

Die ersten Perowskit-Solarzellen wurden 2006 entwickelt, die ersten veröffentlichten Geräte folgten im Jahr 2009. Einige der ersten Geräte hielten nur Sekunden. Andere nur Minuten. In den 2010er Jahren stieg die Lebensdauer der Geräte auf Tage, Wochen und schließlich Monate an. Im Jahr 2017 veröffentlichte eine Gruppe aus der Schweiz eine bahnbrechende Arbeit über einen PSC, der ein ganzes Jahr lang ununterbrochen leuchtete.

In der Zwischenzeit ist die Effizienz dieser Geräte im selben Zeitraum sprunghaft angestiegen. Während der erste PSC einen Wirkungsgrad von weniger als 4 Prozent aufwies, konnten die Forscher diesen Wert innerhalb weniger Jahre fast verzehnfachen. Dies war die schnellste Verbesserung, die Wissenschaftler bis dahin in einer Klasse von Technologien für erneuerbare Energien beobachtet hatten.

Warum also der Vorstoß in Richtung Perowskite? Berry sagte, dass eine Kombination von jüngsten Fortschritten sie besonders begehrenswert macht: neue hohe Wirkungsgrade, eine außergewöhnliche “Abstimmbarkeit”, die es Wissenschaftlern ermöglicht, hochspezifische Anwendungen zu entwickeln, die Fähigkeit, sie vor Ort mit geringem Energieaufwand herzustellen, und jetzt eine glaubwürdige Vorhersage einer verlängerten Lebensdauer in Verbindung mit einem ausgeklügelten Alterungsprozess, um eine breite Palette von Designs zu testen.

Loo sagte, dass die PSCs die Siliziumbauteile nicht ersetzen werden, sondern dass die neue Technologie die alte ergänzen wird, so dass die Solarzellen noch billiger, effizienter und haltbarer werden als heute und die Solarenergie in unzählige neue Bereiche des modernen Lebens vordringen kann. So hat ihre Gruppe vor kurzem eine völlig transparente Perowskit-Folie (mit anderer Chemie) vorgestellt, die Fenster in energieerzeugende Geräte verwandeln kann, ohne ihr Aussehen zu verändern. Andere Gruppen haben Wege gefunden, photovoltaische Tinten mit Perowskiten zu drucken, die Formfaktoren ermöglichen, von denen Wissenschaftler erst jetzt träumen.

Der Hauptvorteil ist jedoch langfristig gesehen, so Berry und Loo: Perowskite können bei Raumtemperatur hergestellt werden, während Silizium bei etwa 3000 Grad Celsius geschmiedet wird. Diese Energie muss irgendwoher kommen, und im Moment bedeutet das die Verbrennung einer Menge fossiler Brennstoffe.

Berry fügte dies hinzu: Da die Wissenschaftler die Eigenschaften von Perowskiten einfach und umfassend einstellen können, ermöglichen sie ein reibungsloses Zusammenwirken unterschiedlicher Plattformen. Das könnte der Schlüssel sein, um Silizium mit neu entstehenden Plattformen wie der Dünnschicht- und der organischen Photovoltaik zu verheiraten, die in den letzten Jahren ebenfalls große Fortschritte gemacht haben.

“Es ist ein bisschen wie Michael Jordan auf dem Basketballplatz”, sagte er. “Er ist für sich allein schon großartig, aber er macht auch alle anderen Spieler besser”.

Die Arbeit “Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells” (Beschleunigte Alterung von anorganischen, grenzflächenstabilisierten Perowskit-Solarzellen) wurde mit Unterstützung der National Science Foundation, des US-Energieministeriums über das Brookhaven National Laboratory, der Swedish Government Strategic Research Area in Materials Science on Functional Materials und des Princeton Imaging and Analysis Center veröffentlicht. Neben Loo und Zhao haben auch Tianjun Liu und Feng Gao, beide von der Universität Linköping, sowie Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Rudolph Holley III, Guangming Cheng und Nan Yao, alle von der Universität Princeton, zu der Studie beigetragen.



Quellen/Original/Links:
https://www.eurekalert.org/news-releases/955855

Übersetzung:
https://www.deepl.com/

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Die Princeton University ist eine private Forschungsuniversität der Ivy League in Princeton, New Jersey. Gegründet 1746 in Elizabeth als College of New Jersey, ist Princeton die viertälteste Hochschuleinrichtung der Vereinigten Staaten und eine der neun kolonialen Hochschulen, die vor der Amerikanischen Revolution gegründet wurden. Die Hochschule zog 1747 nach Newark und neun Jahre später an… Weiterlesen »PRINCETON UNIVERSITY