Materialwissenschaften 09.09.2022, 07:00 Uhr

Mit einem Trick werden Solarzellen stabiler

Bislang ist der große wirtschaftliche Durchbruch von Perowskit-Solarzellen ausgeblieben. Das wollen Forschende aus Litauen ändern. Sie setzen auf ein neues, innovatives Polymer.

Solarzellen

Noch bestehen die meisten Solarzellen aus Silicium. Doch der Durchbruch für Perowskit-basierte Zellen könnte kommen.

Foto: Panthermedia.net/gyuszko

Organisch-anorganische Hybrid-Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechende Lösung innerhalb der Photovoltaik und als mögliche Alternative zu hochpreisigen Silicium-basierten Zellen. Sie sind billiger herzustellen, flexibler einzusetzen und haben eine höhere Effizienz bei der Energieumwandlung. Ihr Nachteil liegt vor allem in der schlechten Stabilität. Während Silicium-Solarzellen über 20 oder mehr Jahre kaum an Leistungsfähigkeit einbüßen, knickt die Kurve bei Perowskit-Zellen schon nach Wochen oder Monaten ein. Zahlreiche Arbeitsgruppen haben sich mit der Frage befasst, wie sich Perowskite stabilisieren lassen – mit unterschiedlichem Erfolg.

Eine Gruppe von Chemikerinnen und Chemikern der Technischen Universität Kaunas in Litauen, die seit längerer Zeit im Bereich Solarenergie forscht, berichtet jetzt von innovativen Herangehensweisen. Die Forschenden haben eine neue Klasse von vernetzbaren Materialien auf Carbazolbasis synthetisiert, die gegen verschiedene Umwelteinflüsse resistent sind, einschließlich starker Lösungsmittel, die bei der Herstellung von Solarzellen verwendet werden. Carbazole sind Ringstrukturen aus Kohlenstoff und Stickstoff, daher der Name. Sie lassen sich recht preisgünstig herstellen.

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Innovative Materialien für Solarzellen von morgen

Die Physik dahinter: Geschichteten Solarzellen der neuen Generation können zwei architektonische Strukturen aufweisen, nämlich regelmäßige (n-i-p) und invertierte (p-i-n) Anordnungen. Bei Letzterer werden die löchertransportierenden Materialien unter der Perowskit-Absorberschicht abgeschieden. Ein mit Elektronendonoraten dotierter Halbleiter wird als n-Halbleiter bezeichnet; hier leiten Elektronen den Strom. Bei p-Halbleitern wurden Atome als Elektronenakzeptoren beigefügt; hier sind Fehlstellen („Löcher“) die Leiter. In der i-Schicht ist das Dotierungsniveau gering.

Die neuen Materialien, die in den Labors entwickelt wurden, trugen dazu bei, dass die Perowskit-Zellen mit invertierter Architektur im ersten Versuch einen Wirkungsgrad von 16,9% erreichten, wenn sie als Lochtransportschichten eingesetzt wurden. Die Forscherinnen und Forscher erwarten, dass bei einer Optimierung ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann.

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Doch der Weg dahin war steinig. „Obwohl p-i-n-Zellen im Vergleich zu Perowskit-Solarzellen mit regulärer Architektur zahlreiche Vorteile aufweisen, haben sie auch gravierende Mängel“, erklärt Vytautas Getautis, Professor an der Fakultät für Chemische Technologie der KTU. „So müssen die löchertransportierenden Verbindungen in der Lage sein, den starken polaren Lösungsmitteln zu widerstehen, die zur Bildung der lichtabsorbierenden Perowskitschicht verwendet werden, die sich darüber befindet.“

Das neue Polymer behebt etliche Schwierigkeiten

Um dieses Problem zu lösen, werden in p-i-n-Architekturen häufig Polymere als löchertransportierende Materialien verwendet. Aufgrund von Löslichkeitsproblemen ist es jedoch nicht einfach, daraus eine Polymerschicht zu bilden. Als Herausforderung gilt auch die Reproduzierbarkeit von Reaktionen, um die gleiche Struktur zu synthetisieren. Deshalb stellten die KTU-Forscher eine löchertransportierende Schicht aus Molekülen auf Carbazolbasis her, die dann in situ thermisch polymerisiert wurde, um einen Vernetzungseffekt zu erzielen.

Das vernetzte Polymer hat eine dreidimensionale Struktur. Es ist sehr widerstandsfähig gegenüber verschiedenen Einflüssen, einschließlich der starken Lösungsmittel, die bei der Bildung einer lichtabsorbierenden Perowskit-Schicht verwendet werden. „Wir haben mehrere Molekülgruppen verwendet und Materialien entwickelt, die bei Verwendung als Lochtransportschicht den Wirkungsgrad einer invertierten Perowskit-Solarzelle auf fast 17% verbessern können“, sagt Šarūnė Daškevičiūtė-Gegužienė von der der Technischen Universität Kaunas.

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Bestehende Technologien bei Perowskit-Solarzellen verbessen

Wie geht es weiter? Die Forschungsgruppe hat zahlreiche neue Verbindungen synthetisiert. Getautis jedenfalls rechnet damit, dass die neuen Solarzellen – sobald sie die Marktreife erkangt haben – preisgünstige Alternativen zu Silicium-Zellen darstellen könnten.

„Unser Forschungsbereich zielt darauf ab, die bestehenden Technologien für Perowskit-Solarelemente zu verbessern, und in diesem Bereich haben wir die besten Ergebnisse mit der selbstorganisierenden Monolayer-Technologie erzielt. Die Wissenschaft entwickelt sich jedoch oft in mehrere Richtungen, da wir Wege finden müssen, um die Solarenergie bestmöglich zu nutzen“, sagt Getautis.

Obwohl Perowskit-Zellen im Vergleich zu Silicium-basierten Solartechnologien noch relativ neu sind, gibt es mehrere Unternehmen, die bereits verschiedene Produkte auf der Grundlage der Perowskit-Technologie auf den Markt gebracht haben. Sie produzieren flexible, halbtransparente Innenausstattungselemente, tragbare Module oder verschiedene architektonische Lösungen. Und das ist erst der Anfang.

„Solarenergie ist völlig umweltfreundlich – sie verursacht keine Umweltverschmutzung, und die installierten Solaranlagen erfordern kaum Wartung“, sagt Getautis. „In Anbetracht der aktuellen Ereignisse und der Energiekrise interessieren sich immer mehr Menschen für die Installation von Solarkraftwerken auf ihren Häusern oder für einen Anteil an einem Solarpark. Das ist die Zukunft der Energie.“ Er rechnet damit, dass zum Jahr 2050 etwa die Hälfte des auf der Erde verbrauchten Stroms aus Sonnenenergie erzeugt werden – und dass bis dahin Perowskit-Solarzellen eine große Rolle spielen werden.

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Ein Beitrag von:

  • Michael van den Heuvel

    Michael van den Heuvel hat Chemie studiert. Unter anderem arbeitet er für Medscape, DocCheck, für die Universität München und für pharmazeutische Fachmagazine. Seit 2017 ist er selbstständiger Journalist und Gesellschafter von Content Qualitäten. Seine Themen: Chemie/physikalische Chemie, Energie, Umwelt, KI, Medizin/Medizintechnik.

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