Highlight
Solarzellen-Effizienz steigt um 9 %:
Die Natur hat einen Trick verraten
Perowskit-Solarzellen gelten als Hoffnungsträger für die Energiewende, doch ihre Herstellung ist bisher oft fehleranfällig, ihr Material hochsensibel. Jetzt wurde ein unerwartetes Hilfsmittel in der Natur entdeckt: Kampfer.
Das Team um Professor Changduk Yang von der UNIST (Ulsan National Institute of Science and Technology) nutzte ein Molekül namens Campherchinon (CQ), eine oxidierte Variante des natürlichen Kampfer. Entscheidend ist dabei dessen Verhalten beim Erhitzen: CQ verdampft nicht sofort, sondern durchläuft zwei Phasen.
Beim ersten Erhitzen auf 70 °C bleibt es größtenteils im Material, beim zweiten Schritt bei 150 °C geht es vollständig in den Gaszustand über - ohne Rückstände im Film zu hinterlassen. Laut Erstautor Jeewon Park erlaubt dies eine präzise Steuerung der Kristallstruktur, ohne dass störende Rückstände zurückbleiben.
Deutlich anders: ohne CQ ...
... und mit Kampfer-Trick
Diese Orientierung verbessert die Ladungstransportwege und trägt entscheidend zur Effizienz bei. Noch wichtiger für die Praxis: In Langzeittests unter realitätsnaher Belastung (MPPT) hielten sie ihre Leistung über 1000 Stunden lang zu mehr als 90 Prozent - doppelt so lang wie herkömmliche Vergleichszellen.
Siehe auch:
Kampfer hilft Solarzellen viel effizienter zu machen
Perowskit-Filme bestehen aus vielen winzigen Kristallen. Je größer und geordneter diese sind, desto effizienter fließt der Strom. Doch das Wachstum solcher Kristalle ist schwer zu steuern. Übliche Additive können zwar helfen, hinterlassen aber oft Rückstände - was Leistung und Lebensdauer beeinträchtigt. Genau hier setzt die neue Idee an.Das Team um Professor Changduk Yang von der UNIST (Ulsan National Institute of Science and Technology) nutzte ein Molekül namens Campherchinon (CQ), eine oxidierte Variante des natürlichen Kampfer. Entscheidend ist dabei dessen Verhalten beim Erhitzen: CQ verdampft nicht sofort, sondern durchläuft zwei Phasen.
Beim ersten Erhitzen auf 70 °C bleibt es größtenteils im Material, beim zweiten Schritt bei 150 °C geht es vollständig in den Gaszustand über - ohne Rückstände im Film zu hinterlassen. Laut Erstautor Jeewon Park erlaubt dies eine präzise Steuerung der Kristallstruktur, ohne dass störende Rückstände zurückbleiben.
Die gezielte Steuerung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch ein zweiphasig verdampfendes Additiv wie CQ führt nicht nur zu größeren und geordneten Kristallen, sondern reduziert auch Defekte und Verluste durch Rekombination.Solarzellen mit CQ-behandelten Filmen erreichten einen Wirkungsgrad von 25,2 Prozent und lagen damit deutlich über den 23,0 Prozent der Kontrollgeräte - ein Plus von rund 9,6 Prozent. Dabei zeigten sich im Material selbst klare Unterschiede: Die Kristalle in den CQ-Filmen waren im Durchschnitt fast doppelt so groß (Ø 1183 nm vs. 608 nm) und wuchsen bevorzugt senkrecht zur Substratoberfläche.
Deutlich anders: ohne CQ ...
... und mit Kampfer-Trick
| Messgröße | Mit CQ-Additiv | Ohne Additiv (Kontrolle) |
|---|---|---|
| Höchster gemessener Wirkungsgrad | 25,00 Prozent (Bestwert) | 23,20 Prozent (Bestwert) |
| Kristallgröße | Ø 1183 nm | Ø 608 nm |
| Ausrichtung der Kristalle | Bevorzugt vertikal (4:1) | Keine klare Orientierung |
| Stabilität (MPPT, 25 °C) | 90,1 Prozent nach 1000 h | <80,8 Prozent nach 500 h |
| Trap-Dichte | 0,84 × 10¹⁶ cm⁻³ | 1,25 × 10¹⁶ cm⁻³ |
| Trägerlebensdauer (TRPL) | 2130 ns | 788 ns |
Diese Orientierung verbessert die Ladungstransportwege und trägt entscheidend zur Effizienz bei. Noch wichtiger für die Praxis: In Langzeittests unter realitätsnaher Belastung (MPPT) hielten sie ihre Leistung über 1000 Stunden lang zu mehr als 90 Prozent - doppelt so lang wie herkömmliche Vergleichszellen.
Kosten könnten sinken
Die Studie wurde in Energy & Environmental Science veröffentlicht. Sie zeigt, dass gezielte Materialwahl und Prozesskontrolle entscheidend sind, um die oft kritisierte Instabilität von Perowskiten zu überwinden - und das mit einem Stoff, der biologischen Ursprungs ist. Professor Yang sieht darin einen Schritt zu "haltbaren, kosteneffizienten Solarlösungen auf nachhaltiger Basis."Was sind Perowskit-Solarzellen?
Perowskit-Solarzellen sind eine neuartige Solartechnologie, die einen speziellen Kristall mit Perowskit-Struktur als lichtabsorbierendes Halbleitermaterial nutzt. Der Name leitet sich vom Mineral Perowskit ab, dessen charakteristische Kristallstruktur in diesen Solarzellen nachgebildet wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen bestehen Perowskit-Zellen aus mehreren dünnen Schichten, wobei die zentrale Perowskit-Schicht das Sonnenlicht absorbiert und in elektrische Energie umwandelt. Diese Technologie wird erst seit 2009 intensiv erforscht, hat aber seitdem beeindruckende Fortschritte gemacht.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen bestehen Perowskit-Zellen aus mehreren dünnen Schichten, wobei die zentrale Perowskit-Schicht das Sonnenlicht absorbiert und in elektrische Energie umwandelt. Diese Technologie wird erst seit 2009 intensiv erforscht, hat aber seitdem beeindruckende Fortschritte gemacht.
Welche Vorteile bieten sie?
Perowskit-Solarzellen zeichnen sich durch einen bemerkenswert hohen Wirkungsgrad aus, der in Laborumgebungen bereits über 26 Prozent erreicht hat - vergleichbar mit herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Zudem können sie kostengünstig und energiesparend hergestellt werden, da die Materialien in flüssiger Form aufgesprüht, gedruckt oder gestrichen werden können.
Ein weiterer Vorteil ist ihre Flexibilität und das geringe Gewicht, was neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Die Energierückgewinnungszeit beträgt laut Forschern nur wenige Monate, während Silizium-Solarzellen über ein Jahr benötigen, um die für ihre Herstellung aufgewendete Energie zu erzeugen.
Ein weiterer Vorteil ist ihre Flexibilität und das geringe Gewicht, was neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Die Energierückgewinnungszeit beträgt laut Forschern nur wenige Monate, während Silizium-Solarzellen über ein Jahr benötigen, um die für ihre Herstellung aufgewendete Energie zu erzeugen.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad?
Der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen hat sich in kurzer Zeit beeindruckend entwickelt. Während die ersten Zellen 2009 nur etwa 4 Prozent Wirkungsgrad aufwiesen, erreichen aktuelle Labormodelle regelmäßig über 25 Prozent. Der aktuelle zertifizierte Weltrekord liegt bei 26,1 Prozent, was nahe dem Rekord von Silizium-Solarzellen (27,1 Prozent) liegt.
Besonders vielversprechend sind sogenannte Tandem-Solarzellen, bei denen Perowskit- und Silizium-Zellen kombiniert werden. Diese Technologie hat bereits Wirkungsgrade von über 33,9 Prozent erreicht, wobei Forscher eine Steigerung auf bis zu 35 Prozent für möglich halten. Diese Werte übertreffen deutlich die Effizienz herkömmlicher Einfach-Solarzellen.
Besonders vielversprechend sind sogenannte Tandem-Solarzellen, bei denen Perowskit- und Silizium-Zellen kombiniert werden. Diese Technologie hat bereits Wirkungsgrade von über 33,9 Prozent erreicht, wobei Forscher eine Steigerung auf bis zu 35 Prozent für möglich halten. Diese Werte übertreffen deutlich die Effizienz herkömmlicher Einfach-Solarzellen.
Sind sie bereits marktreif?
Trotz der beeindruckenden Fortschritte in der Forschung sind Perowskit-Solarzellen derzeit nicht vollständig marktreif. Die größten Herausforderungen liegen in der begrenzten Lebensdauer und der Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und Luft, wodurch die Kristallstruktur mit der Zeit instabil wird.
Einige Unternehmen wie Oxford PV arbeiten bereits an der kommerziellen Produktion von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen. Es wird jedoch noch Zeit benötigen, bis die Technologie außerhalb des Labors die gleiche Langlebigkeit wie herkömmliche Solarmodule erreicht, die bis zu 40 Jahre halten können.
Einige Unternehmen wie Oxford PV arbeiten bereits an der kommerziellen Produktion von Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen. Es wird jedoch noch Zeit benötigen, bis die Technologie außerhalb des Labors die gleiche Langlebigkeit wie herkömmliche Solarmodule erreicht, die bis zu 40 Jahre halten können.
Welche Nachteile haben sie?
Der Hauptnachteil von Perowskit-Solarzellen ist ihre begrenzte Stabilität und Lebensdauer. Unter realen Umweltbedingungen reagieren die Materialien empfindlich auf Feuchtigkeit und Luftsauerstoff, was ihre Funktionalität beeinträchtigt und zu einer schnelleren Degradation führt.
Ein weiteres Problem stellt der Bleigehalt dar, der in den meisten Perowskit-Zellen für die nötige Stabilität und Struktur sorgt. Dies wirft Umwelt- und Gesundheitsbedenken auf und könnte aufgrund von Regulierungen wie der EU-RoHS-Richtlinie die wirtschaftliche Verwertbarkeit einschränken. Forschungen an bleifreien Alternativen mit Zinn zeigen Fortschritte, erreichen bisher aber nicht die gleiche Effizienz und Stabilität.
Ein weiteres Problem stellt der Bleigehalt dar, der in den meisten Perowskit-Zellen für die nötige Stabilität und Struktur sorgt. Dies wirft Umwelt- und Gesundheitsbedenken auf und könnte aufgrund von Regulierungen wie der EU-RoHS-Richtlinie die wirtschaftliche Verwertbarkeit einschränken. Forschungen an bleifreien Alternativen mit Zinn zeigen Fortschritte, erreichen bisher aber nicht die gleiche Effizienz und Stabilität.
Wie werden sie hergestellt?
Die Herstellung von Perowskit-Solarzellen ist vergleichsweise einfach und kostengünstig. Die Perowskit-Materialien können in flüssiger Form auf verschiedene Substrate aufgebracht werden - durch Sprühen, Drucken oder Streichen. Dieser Prozess erfordert keine energieintensiven Vakuumverfahren, wie sie bei herkömmlichen Solarzellen nötig sind.
Der typische Aufbau besteht aus mehreren Schichten: einer transparenten, leitenden Oxidschicht oben, der lichtabsorbierenden Perowskit-Schicht in der Mitte, und einer Metallelektrode unten. Dazwischen befinden sich spezielle Materialien für den Transport von Elektronen und Löchern. Diese Struktur ermöglicht die effiziente Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom.
Der typische Aufbau besteht aus mehreren Schichten: einer transparenten, leitenden Oxidschicht oben, der lichtabsorbierenden Perowskit-Schicht in der Mitte, und einer Metallelektrode unten. Dazwischen befinden sich spezielle Materialien für den Transport von Elektronen und Löchern. Diese Struktur ermöglicht die effiziente Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom.
Was sind Tandem-Solarzellen?
Tandem-Solarzellen kombinieren zwei verschiedene Solarzellentypen, um das Sonnenlichtspektrum effizienter zu nutzen. Bei Perowskit-Silizium-Tandemzellen wird eine semitransparente Perowskit-Zelle auf eine herkömmliche Silizium-Zelle aufgebracht. Die Perowskit-Schicht absorbiert dabei vorwiegend das kurzwellige (blaue) Licht, während die Silizium-Schicht das langwellige (rote) Licht verwertet.
Durch diese Kombination können deutlich höhere Wirkungsgrade erreicht werden als mit einzelnen Zelltypen. Forscher haben mit dieser Technologie bereits Wirkungsgrade von über 33 Prozent erzielt und halten bis zu 35 Prozent für möglich. Dies übertrifft die theoretischen Grenzen einfacher Solarzellen deutlich.
Durch diese Kombination können deutlich höhere Wirkungsgrade erreicht werden als mit einzelnen Zelltypen. Forscher haben mit dieser Technologie bereits Wirkungsgrade von über 33 Prozent erzielt und halten bis zu 35 Prozent für möglich. Dies übertrifft die theoretischen Grenzen einfacher Solarzellen deutlich.
Wann werden sie verfügbar sein?
Obwohl Perowskit-Solarzellen nicht vollständig marktreif sind, erwarten viele Experten ihre kommerzielle Einführung zeitnah. Erste Produkte dürften Tandem-Solarzellen sein, die Perowskit mit Silizium kombinieren, wie sie beispielsweise von Oxford PV entwickelt werden.
Die größte Herausforderung bleibt das Hochskalieren des Labormaßstabs zur industriellen Massenproduktion bei gleichzeitiger Gewährleistung von Langzeitstabilität. Forschungsteams arbeiten intensiv an der Lösung dieser Probleme, und es wurden bereits vielversprechende Fortschritte erzielt, wie etwa die Entwicklung von Perowskit-Zellen mit einer prognostizierten Lebensdauer von über 30 Jahren.
Die größte Herausforderung bleibt das Hochskalieren des Labormaßstabs zur industriellen Massenproduktion bei gleichzeitiger Gewährleistung von Langzeitstabilität. Forschungsteams arbeiten intensiv an der Lösung dieser Probleme, und es wurden bereits vielversprechende Fortschritte erzielt, wie etwa die Entwicklung von Perowskit-Zellen mit einer prognostizierten Lebensdauer von über 30 Jahren.
Zusammenfassung
- Natürliches Campherchinon steigert Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen
- Zweiphasiger Verdampfungsprozess bei 70 °C und 150 °C hinterlässt keine Rückstände
- CQ-behandelte Solarzellen erreichen 25,2 Prozent Wirkungsgrad statt nur 23,0 Prozent
- Kristalle werden fast doppelt so groß und wachsen bevorzugt vertikal
- Stabilität verbessert: 90,1 Prozent Leistung nach 1000 Stunden statt 80,8 Prozent nach 500 h
- Gezielter Materialeinsatz kann kritisierte Instabilität von Perowskiten überwinden
- Forschungsergebnisse wurden in Energy & Environmental Science veröffentlicht
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