Forscher haben eine stabile Perowskit-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 27,06 Prozent vorgestellt. Sie soll Solarstrom günstiger und zuverlässiger machen.
Solarzellen gelten als Schlüssel zur Energiewende, aber sie stoßen mittlerweile an ihre physikalischen Grenzen. Eine mögliche Lösung dafür liegt in sogenannten Multi-Junction-Zellen, die das Sonnenlicht effizienter nutzen, indem sie mehrere Schichten übereinander stapeln.
Kürzlich erreichten Forscher einen neuen Meilenstein. Sie bauten die erste Perowskit-Perowskit-Silizium-Solarzelle mit drei Schichten, die bei der Effizienz einen neuen Rekord erreicht und stabiler ist als ihre Vorgänger sein soll. Theoretisch könnten solche Triple-Junction-Zellen eine Effizienz von über 50 Prozent erreichen.
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Aber in der Praxis hatten bisherige Zellen Probleme mit der Stabilität und dem Wirkungsgrad. Die Forscher lösten diese, indem sie gezielt an den winzigen Nanoscale-Grenzflächen schraubten, also den Berührungspunkten zwischen den Schichten. Sie lösten zwei Hauptprobleme, indem sie die Oberflächendefekte der obersten Schicht behoben und die elektrische Verbindung zwischen den beiden Perowskit-Schichten optimierten. Dies soll optische Verluste minimieren.
Perowskit-Solarzelle: Hoher Wirkungsgrad durch Gold-Nanopartikel und einen chemischen Trick
Der erste Trick betraf die oberste lichtempfindliche Schicht. Diese hatte Defekte an der Oberfläche, was die Stabilität der gesamten Zelle massiv beeinträchtigte. Die Forscher nutzten eine chemische Behandlung mit einem Material namens Piperazin-1,4-diiumchlorid (PDCl).
Dieser Stoff ersetzte das weniger stabile Lithiumfluorid und sorgte dafür, dass die Defekte an der Perowskit-Oberfläche „passiviert“ wurden. Das Ergebnis war eine deutlich längere Lebensdauer.
Der zweite Trick löste das Verbindungsproblem zwischen den zwei übereinander liegenden Perowskit-Zellen. Dabei bestand das Problem darin, die Elektronen zwischen den Schichten zu übertragen, ohne dabei zu viel Licht zu schlucken.
Die Forscher setzten auf winzige Gold-Nanopartikel, die auf eine Schicht aus Zinndioxid (SnO₂) aufgebracht wurden. Sie optimierten die Größe dieser Partikel dafür präzise. Die Gold-Nanopartikel stellen einen sogenannten ohmschen Kontakt her, der für einen perfekten Ladungstransport sorgt. Gleichzeitig sind sie so klein und verteilt, dass sie nur minimale Lichtverluste verursachen.
Effizienzrekord und Stabilitätsprobe
Das Resultat: Die beste ein Quadratzentimeter-Zelle erreichte einen von Dritten bestätigten Wirkungsgrad von 27,06 Prozent. Das ist einer der höchsten Werte, die jemals für eine Perowskit-auf-Silizium-Triple-Junction-Zelle erzielt wurden. Auch bei größeren Prototypen von 16 Quadratzentimetern erreichte die Zelle noch 23,3 Prozent.
Aber der wahre Erfolg ist die Stabilität: Eine verkapselte Zelle behielt nach 407 Stunden Dauerbetrieb unter vollem Licht noch 95 Prozent ihrer Anfangseffizienz. Außerdem bestand ein Prototyp den IEC-61215-Temperaturzyklustest (ein internationaler Standard), nachdem er 200 Zyklen zwischen minus 40 °C und 85 °C überstanden hatte.
Diese Stabilität ist primär dem Verzicht auf instabile Bestandteile wie Methylammonium (MA) und Lithiumfluorid (LiF) zu verdanken. Das ist eine gute Grundlage, um diese effizienten Solarzellen bald in die Massenproduktion zu bringen.
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