- Ein Forschungsteam der Nanjing University entwickelt eine neue Strategie und steigert die Effizienz vollperowskitischer Dreifach-Solarzellen auf 30,1 %.
- Die neue Strategie löst die Leistungsbegrenzungen in Perowskit-Dünnschichten und bietet hohe Stabilität.
- Das monolithische Dreifach-Zelldesign ist auf unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichtspektrums ausgelegt und ermöglicht eine optimale Energieausbeute.
- Die Technologie lässt sich für ultraleichte, flexible Solarmodule nutzen und eignet sich für kommerzielle Anwendungen sowie Wearables.
Forscher der chinesischen Nanjing University und ihrer Partnerinstitutionen haben eine neuartige Behandlungsstrategie entwickelt, um ein zentrales Effizienzproblem monolithischer vollperowskitischer Dreifach-Solarzellen zu lösen. Das Team entwarf dazu eine Strategie zur Oberflächenrekonstruktion und Halogenid-Homogenisierung, um die Leistungsbegrenzungen in 2,0 eV-Ultraweitbandlücken-(UWBG)-Perowskit-Dünnschichten zu adressieren. Dieser Ansatz ermöglichte die Entwicklung einer perowskitischen Dreifach-Solarzelle mit einem bemerkenswerten Wirkungsgrad von 30,1 % (zertifiziert: 29,3 %). Den Studien zufolge weist dieses integrierte Design unter Dauerbetrieb eine hohe Stabilität auf und birgt das Potenzial, den Wirkungsgrad künftiger Mehschicht-Solarzellen auf über 35 % zu steigern.
Derzeit dominieren Standardsilizium-Paneele den Solarmarkt, stoßen jedoch an physikalische Grenzen, die ihre Fähigkeit zur Umwandlung von Sonnenlicht in Energie begrenzen. Perowskite bieten eine vielversprechende Alternative, da diese synthetischen Materialien in Stapeln übereinandergeschichtet werden können, um ein breiteres Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts effizienter zu absorbieren. Um hochenergetisches Sonnenlicht einzufangen, stellten Wissenschaftler bromreiche Ultraweitbandlücken-(2,0 eV)-Perowskit-Dünnschichten her. Ein hoher Bromgehalt erweist sich im Herstellungsprozess jedoch als instabil: Die Oberseite trocknet und kristallisiert zuerst, während die Unterseite feucht bleibt. Diese Fehlpassung erzeugt eine starre Hülle über einem flüssigen Kern, was zu Faltenbildung, Rissen und einer Entmischung der chemischen Zusammensetzung führt.
Infolgedessen geht Energie verloren, und es treten erhebliche Spannungsverluste auf.
Leistungsbegrenzungen der Dünnschicht gelöst
Die Forscher gingen dieses Problem mit einer doppelten Behandlungstechnik an, die die Materialoberfläche glättet und die Kristallbildung steuert. Die Technik kombiniert ein gezieltes Lösungsmittelbad mit einer kleinen Menge eines ölbasierten Ammoniumchlorid-Additivs und behebt so die ungleichmäßige Trocknung. Die ausgewogene Lösungsmittelbehandlung formt die Deckschicht um und ebnet sie ein, während die Zugabe von Chlorid die gleichzeitige Kristallisation von Bromid- und Iodid-Komponenten ermöglicht. Dieses kombinierte Verfahren verhindert eine vorzeitige Oberflächenverfestigung und erzeugt eine glatte sowie strukturell homogene Dünnschicht im gesamten Material.
Die monolithische Dreifachzelle vereint drei miteinander verbundene Lichtabsorptionsschichten, die jeweils auf unterschiedliche Bandlücken und damit auf verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums zugeschnitten sind. Durch die Beseitigung von Oberflächenfalten und Strukturmängeln ließ sich die Dreischicht-Solarzelle für eine optimale Energieausbeute optimieren. Die 2,0 eV-Subzelle an der Oberseite erreichte eine hohe Leerlaufspannung von 1,46 V, ergänzt durch eine 1,60 eV-Mittelschicht zur spektralen Abstimmung sowie eine 1,22 eV-Bodenschicht zur Absorption tiefer Infrarotstrahlung. Diese monolithische Dreifachkonfiguration erzielte gemeinsam einen Rekord-Wirkungsgrad von 30,1 % und wurde unabhängig mit 29,3 % zertifiziert.
Künftige Anwendungen und Forschungsrichtungen
Die Forscher erklärten: „Die resultierende UWBG-Perowskit-Dünnschicht zeigt ein gleichmäßiges Oberflächenpotenzial, unterdrückte nichtstrahlende Rekombination, eine verbesserte Ladungsträgerbeweglichkeit sowie eine Leerlaufspannung von 1,46 V." Die Technologie ist nicht nur wirksam, sondern auch langlebig. Den Angaben zufolge behielt die fertige Zelle nach 569 Stunden Dauerbetrieb unter maximaler Leistungsabgabe bei simuliertem Sonnenlicht noch über 90 % ihrer Anfangseffizienz. Nach Abschluss der ersten Labortests plant das Team, Spannungs- und Füllfaktorverluste zu reduzieren, das Strommatching zu verfeinern und die Bauelemente für größere Anwendungen hochzuskalieren. Künftige Forschung soll sich von anfänglichen Wirkungsgradmessungen hin zur Bewertung der Modulleistung unter realen Betriebsbedingungen verlagern, mit besonderem Augenmerk auf Strahlungs-, Vakuum-, UV- und thermische Zyklenbeständigkeit, um mögliche Weltraumeinsätze zu unterstützen.
Da keine schweren Silizium-Wafer verwendet werden, ebnet die Technologie den Weg für ultraleichte, flexible Solarmodule, die für gewerbliche Dachinstallationen, Wearable-Elektronik und den Einsatz auf Satelliten konzipiert sind.
Potenzial und Anwendungsperspektiven der Perowskit-Technologie
Perowskit-Materialien zeigen in Solarzellen eine überlegene Leistung, insbesondere bei der Steigerung der Energieumwandlungseffizienz. Diese neue Technologie steigert nicht nur den Wirkungsgrad, sondern löst auch die Stabilitätsprobleme herkömmlicher Materialien im Herstellungsprozess. Mit fortschreitender Forschung ist zu erwarten, dass Perowskit-Zellen künftig breit in kommerziellen Anwendungen eingesetzt werden – insbesondere bei Wearables und Leichtbaumodulen – und damit die Nachfrage sowie die Einsatzmöglichkeiten der Solartechnologie am Markt verändern werden.