Perowskit: Neuartige Solartechnologie ebnet den Weg für reichlich vorhandene, kostengünstige und druckbare Zellen

Leitender Forschungsbeauftragter am SPECIFIC Innovation and Knowledge Centre der Swansea University

David Beynon erhält Fördermittel vom EPSRC und der walisischen Regierung. Zuvor arbeitete er an Forschungsprojekten, die vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung, Tata Steel, Power Roll Ltd und European Union Horizon finanziert wurden.

Die Swansea University stellt als Mitglied von The Conversation UK finanzielle Mittel bereit.

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Silizium-Solarzellen sind eine etablierte Technologie zur Stromerzeugung aus der Sonne. Ihre Herstellung erfordert jedoch 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, einem Material, dessen Herstellung deutlich kostengünstiger ist als die von Silizium. Wenn wir auch ihre Effizienz verbessern können, deutet dies auf die Möglichkeit hin, Solarzellen in viel größerem Umfang als je zuvor billiger herzustellen.

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

Perowskit ist eine Kristallstruktur aus anorganischen und organischen Komponenten, benannt nach Lev Perovski, einem russischen Mineralexperten des 17. und 18. Jahrhunderts.

Perowskit-Solarzellen tauchten erstmals 2012 in Forschungslabors auf und erregten die Aufmerksamkeit der Forscher aufgrund zweier Faktoren: ihrer Fähigkeit, Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln, und der Möglichkeit, sie aus einer Kombination von Tinten herzustellen.

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

Doch billige Perowskit-Solarzellen, die ohne Silizium auskommen, müssen noch 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?

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

Wissenschaftler haben zum einen herausgefunden, dass die Halbleiter- und Perowskitschichten in dieser neuen Form von Solarzellen extrem dünn sein müssen – zwischen 50 und 500 Nanometern (etwa 500 Mal kleiner als ein menschliches Haar), um Rekordwirkungsgrade zu erreichen.

Außerdem erforderten die zum Drucken verwendeten Tinten hochgiftige Lösungsmittel. Aber nach vielen Jahren der Bemühungen haben wir nun Tinten ohne giftige Lösungsmittel entwickelt, die mit dem Slot-Düsen-Beschichtungsverfahren kompatibel sind – einer etablierten industriellen Technik, die ursprünglich für die Herstellung von Fotofilmen verwendet wurde.

Die gedruckte Perowskitschicht erzeugt freie Elektronen aus der Energie, die das auftreffende Licht liefert. Der Halbleiter verhindert dann, dass der Perowskit diese Elektronen erneut absorbiert, und zwar mit einer guten Leistungsumwandlungseffizienz (dem 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 und eine Kohlenstofftinte entwickelt, die sowohl mit dem Perowskit-Material als auch mit dem Schlitzdüsen-Beschichtungsverfahren kompatibel ist. Das Ergebnis sind große Mengen flexibler, rollbarer Solarzellen, die aus der Druckmaschine kommen und bereit sind, Strom zu erzeugen.

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. Allerdings bleibt er hinter dem typischen Umwandlungswirkungsgrad von heute verwendeten Solarmodulen für Privathaushalte von 17 % zurück.

Wir wissen, dass durch die Nutzung der leistungsfähigeren Perowskit-Chemie weitere Steigerungen möglich sind.

Es gilt, eine technische Herausforderung zu bewältigen, damit großvolumige, kommerziell hergestellte Perowskit-Solarmodule mit der Energieerzeugung von Silizium mithalten können. Weitere Verbesserungen der Lebensdauerstabilität von Perowskit-Solarzellen sind ebenfalls 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.