Perowskit: Vorgeführt werden reichlich vorhandene, billige, druckbare Solarzellen, die zur Stromerzeugung bereit sind

31. Mai 2023 von David Beynon

Labore auf der ganzen Welt liefern sich einen Wettlauf um die Entwicklungdruckbare Perowskit-Solarzellen, die in großen Mengen produziert werden und so dünn sind, dass sie um fast alles gewickelt werden können . Dies ist ein großer Vorteil gegenüber der typischen Siliziumzelle, die relativ groß und zerbrechlich ist. Und Perowskit ist viel kostengünstiger in der Herstellung.David Beynon von der Swansea University beschreibt dort Forschungen, die gezeigt haben, wie eine Rolle Kunststofffolie in eine Druckmaschine geladen werden kann, um funktionierende Perowskit-Solarzellen herzustellen, die zur Stromerzeugung bereit sind. Es ist eine technische Herausforderung, weil die Perowskitschicht eine solche sein musszwischen 50 und 500 Nanometer dünn . Das Team nutzte a„Slot-Die-Beschichtungsverfahren“, eine etablierte Industrietechnik, die ursprünglich zur Herstellung von Fotofilmen verwendet wurde. Der10 % Leistungsumwandlungswirkungsgradist gut, aber er muss auf 17 % steigen, um mit kommerziellem Silizium mitzuhalten.Möglichkeiten, diese Zahl zu verbessern, sind bereits gut bekannt , sagt Beynon, basierend auf einer leistungsstärkeren Perowskit-Chemie. DerAuch die Lebensdauerstabilität von Perowskit-Solarzellen muss verlängert werden , durch eine Kombination aus Chemie, Gerätedesign, Schutzbeschichtungen und laminierten Barrierefolien. Aber die Herausforderung des Druckprozesses scheint gelöst zu sein und den Weg für eine Skalierung zu ebnen. Die ernsthafte Forschung zu Perowskit-Solarzellen begann erst 2012 und ist somit ein weiteres Beispiel für das Innovationstempo in diesem wichtigen Sektor.

Silizium-Solarzellen sind eine etablierte Technologie zur Stromerzeugung aus der Sonne. Aber sieDie Herstellung erfordert viel Energie, ist starr und kann zerbrechlich sein.

Doch eine neue Klasse von Solarzellen entspricht ihrer Leistung. Und außerdem lässt es sich jetzt mit Spezialtinten ausdrucken und flexibel auf unebenen Oberflächen aufwickeln.

Wir haben die weltweit erste rollbare und vollständig druckbare Solarzelle aus Perowskit entwickelt, ein Material, das istviel kostengünstiger in der Herstellung als Silizium . Wenn wir auch ihre Effizienz verbessern können, deutet dies auf die Möglichkeit hinHerstellung billigerer Solarzellen in viel größerem Maßstab als je zuvor.

Die für uns so bekannten Silizium-Solarzellen weisen eine erhebliche Einschränkung auf. Wenn genug gemacht würde, um unseren Bedarf zu decken, würden wirBis 2050 könnten die Materialien für ihre Herstellung ausgehen . Wir brauchen also etwas Neues und zwar viel davon. Die Perowskit-Solarzelle soll diese Lücke schließen.

Herkömmliche Silizium-Solarmodule sind starr und zerbrechlich / BILD: AlyoshinE/Shutterstock

Perowskit ist eine Kristallstruktur aus anorganischen und organischen Komponenten.benannt nach Lew Perowski, einem russischen Mineralienexperten des 17. und 18. Jahrhunderts.

PErowskit-Solarzellen tauchten erstmals 2012 in Forschungslabors aufund erregte die Aufmerksamkeit der Forscher aufgrund zweier Faktoren: ihrerFähigkeit, Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln, und dasMöglichkeit, sie aus einer Kombination von Tinten zu erstellen.

In Forschungslaboren unter Verwendung streng kontrollierter Produktionsmethoden in Umgebungen, in denen Sauerstoff und Wasser vollständig entfernt werden,Perowskit-Solarzellen können nun mit der Stromerzeugung von Silizium-Solarzellen mithalten . Das ist eine bemerkenswerte Leistung.

Aber billige Perowskit-Solarzellen, die ohne Silizium auskommen, schonnoch nicht im kommerziellen Maßstab hergestellt werden . Was wäre also, wenn diese Materialien mit den gleichen Verfahren hergestellt werden könnten, die wir zum Bedrucken gewöhnlicher Verpackungen verwenden?

Das haben meine Kollegen und ich kürzlich bewiesenEine Rolle Plastikfolie kann in eine Druckmaschine geladen werden, und am anderen Ende entstehen funktionierende Perowskit-Solarzellen . Allerdings ist es nicht ganz so einfach, Tinte in Ihren Desktop-Drucker zu füllen.

Wissenschaftler haben zum einen herausgefunden, dass man Rekordeffizienzen erreichen kann, wennDie Halbleiter- und Perowskitschichten dieser neuen Solarzellenform müssen extrem dünn sein – zwischen 50 und 500 Nanometer(ungefähr 500-mal kleiner als ein menschliches Haar).

Außerdem erforderten die zum Drucken verwendeten Tinten hochgiftige Lösungsmittel. Aber nach vielen Jahren der BemühungenWir haben jetzt Tinten ohne giftige Lösungsmittel formuliertdie mit dem kompatibel sindSchlitzdüsenbeschichtungsverfahren – ein etabliertes Industrieverfahren, das ursprünglich zur Herstellung von Fotofilmen eingesetzt wurde.

Der Prozess des Druckens und Ausrollens von Perowskit-Solarzellen / BILD: Swansea University, vom Autor bereitgestellt

Die gedruckte Perowskitschicht erzeugt freie Elektronen aus der Energie, die das auftreffende Licht liefert. Der Halbleiter verhindert dann, dass der Perowskit diese Elektronen erneut aufnimmtgute Leistungsumwandlungseffizienz(das Verhältnis von optischer Eingangsleistung zu elektrischer Ausgangsleistung).

Ein Problem blieb bestehen: wie man die elektrische Ladung entzieht. In der Vergangenheit wurde dies dadurch erreicht, dass Gold im Vakuum erhitzt wurde, bis es verdampfte, und der Dampf auf der Perowskit-Solarzelle aufgefangen wurde, um Elektroden zu bilden.

Wir haben einen anderen Ansatz gewählt,Schaffung einer Kohlenstofftinte, die sowohl mit dem Perowskit-Material als auch mit dem Schlitzdüsen-Beschichtungsverfahren kompatibel ist . Das Ergebnis istGroße Mengen flexibler, rollbarer Solarzellen, die aus der Druckmaschine kommen und bereit sind, Strom zu erzeugen.

Wissenschaftler der Swansea University haben eine druckbare und rollbare Solarzelle entwickelt / BILD: Swansea University, vom Autor bereitgestellt

Perowskit-Solarzellen haben in Forschungslabors ihre hohe Leistung unter Beweis gestellt und haben sich nun als fähig erwiesen, den Sprung in die Großserienfertigung zu schaffen. Aber die Arbeit ist noch nicht ganz erledigt.

Der durch diese rollbaren gedruckten Zellen erreichte Wirkungsgrad der Energieumwandlung von 10 % ist nützlich und höher als bei den ersten kommerziellen Siliziumpaneelen. Aber esliegt hinter dem typischen Umwandlungswirkungsgrad von heute verwendeten Solarmodulen für Privathaushalte von 17 % zurück.

Wir wissen, dass weitere Erhöhungen möglich sindNutzung der leistungsfähigeren Perowskit-Chemie.

Es gilt, eine technische Herausforderung zu bewältigen, damit großvolumige, kommerziell hergestellte Perowskit-Solarmodule mit der Energieerzeugung von Silizium mithalten können.Darüber hinaus sind weitere Verbesserungen der Lebensdauerstabilität von Perowskit-Solarzellen erforderlich– durch eine Kombination aus Chemie, Gerätedesign und anderen Strategien wie Schutzbeschichtungen und laminierten Barrierefolien.

Kurz gesagt, die Forschung muss sich darauf konzentrieren, das, was in den Laboren geschieht, in reale Geräte umzusetzen. Doch der Möglichkeit, Hunderttausende Quadratmeter flexibler Perowskit-Solarzellen herzustellen, rückt man nun einen Schritt näher.

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David Beynonist Senior Research Officer amSPEZIFISCHES Innovations- und Wissenszentrum, Swansea University

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