Abschnitt 1
Seit Jahrzehnten ist Silizium der unbestrittene König der Solarenergie und dominiert über 95 Prozent des globalen Photovoltaikmarktes. Die Silizium-Solartechnologie nähert sich jedoch ihrer theoretischen Effizienzgrenze von etwa 29. 4 %. Um die globale Energiewende aufrechtzuerhalten, wenden sich Forscher einer revolutionären Klasse von Materialien zu: Perowskiten. Nach ihrer einzigartigen Kristallstruktur benannt, haben Perowskit-Solarzellen einen beispiellosen Anstieg der Umwandlungseffizienz von nur 3 gezeigt. 8 Prozent im Jahr 2009 auf über 26 Prozent im Labor heute.
Abschnitt 2
Abschnitt 2 Dieser Artikel untersucht die Materialwissenschaft von Perowskiten, ihr Potenzial, den Energiemarkt neu zu gestalten, und die technischen Hürden, die für die kommerzielle Skalierung überwunden werden müssen. Perowskite sind keine spezifische chemische Verbindung, sondern eine Familie von Materialien, die eine spezifische Kristallstruktur mit der Formel ABX3 teilen. In einer typischen organisch-anorganischen Halogenid-Perowskit-Solarzelle steht “A” für ein organisches Kation (wie Methylammonium), “B” ist ein zweiwertiges Metallkation (normalerweise Blei oder Zinn) und “X” ist ein Halogenid-Anion (wie Jodid oder Bromid). Diese einzigartige Kristallanordnung besitzt außergewöhnliche optoelektronische Eigenschaften. Perowskite haben einen hohen Absorptionskoeffizienten, so dass dünne Schichten von nur wenigen hundert Nanometern so viel Sonnenlicht absorbieren können wie dicke Siliziumwafer. Sie verfügen auch über eine abstimmbare Bandlücke, was bedeutet, dass ihre chemische Zusammensetzung verändert werden kann, um verschiedene Wellenlängen des Sonnenspektrums zu absorbieren.
Abschnitt 3
Abschnitt 3 Tandemzellen: Überschreitung der Siliziumgrenzen Die unmittelbarste kommerzielle Anwendung für Perowskite besteht nicht darin, Silizium zu ersetzen, sondern es durch Tandem-Solarzellen aufzurüsten. Durch das Stapeln einer Perowskitschicht auf einer traditionellen Siliziumbasis können Hersteller eine Dual-Junction-Solarzelle herstellen. Silizium hat eine schmale Bandlücke, die energiearmes Infrarotlicht effizient in Elektrizität umwandelt. Perowskite können mit einer breiteren Bandlücke konstruiert werden, um hochenergetisches blaues und grünes Licht einzufangen. Diese Kombination ermöglicht es einer einzelnen Tandemzelle, einen größeren Bereich der Sonnenstrahlung zu ernten. Silizium-Perowskit-Tandemzellen haben bereits eine Laboreffizienz von mehr als 33 Prozent erreicht, was einen klaren Weg zur Erzeugung von deutlich mehr Leistung auf derselben Oberfläche bietet.
Abschnitt 4
Abschnitt 4 Low-Cost, Low-Carbon Manufacturing Silicon Die Herstellung ist energieintensiv und erfordert, dass Rohquarz in Elektrolichtbogenöfen bei Temperaturen von mehr als 1.900 Grad Celsius geschmolzen wird, gefolgt von teuren Kristallisationsprozessen. Im Gegensatz dazu können Perowskit-Solarzellen unter Verwendung einer lösungsbasierten Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Perowskitfarben können unter Verwendung von Roll-to-Rolle-Herstellungsverfahren ähnlich dem Druck von Zeitungen auf flexible Substrate gedruckt oder gesprüht werden. Dieser Niedertemperaturprozess reduziert den Energie- und CO2-Fußabdruck bei der Herstellung von Solarzellen drastisch. Da Perowskitschichten extrem dünn und flexibel sind, können sie in Gebäude, Fenster und Fahrzeugdächer integriert werden, was die Reichweite der Solarenergie erweitert. Bevor Perowskit-Solarzellen eine breite Marktakzeptanz erreichen können, müssen sie zwei kritische Schwachstellen beheben: Stabilität und Umwelttoxizität.
Abschnitt 5
Im Gegensatz zu langlebigen Siliziumzellen, die für 25 bis 30 Jahre garantiert sind, sind Perowskite sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Sauerstoff, ultraviolettem Licht und Wärme. Die Exposition gegenüber diesen Faktoren führt dazu, dass sich die Kristallstruktur schnell abbaut und ihre elektrischen Eigenschaften zerstört. Forscher entwickeln fortschrittliche Verkapselungsmittel und chemische Zusatzstoffe, um das Material zu stabilisieren. Die zweite Sorge ist das Vorhandensein von Blei in der kristallinen Struktur. Während die Menge an Blei gering ist, birgt seine wasserlösliche Natur potenzielle Umweltrisiken, wenn die Zellen beschädigt werden, was die Forscher dazu zwingt, bleifreie Alternativen mit Zinn oder Wismut zu erforschen. Perowskit-Solarzellen stellen die aufregendste Entwicklung in der Photovoltaik-Technologie seit einer Generation dar. Mit ihrer hohen Effizienz, ihren abstimmbaren Eigenschaften und ihrer kostengünstigen Herstellung haben sie das Potenzial, saubere Energie weltweit zu demokratisieren. Obwohl große technische Herausforderungen bei der Haltbarkeit und chemischen Stabilisierung bestehen bleiben, ebnet die Entwicklung von Silizium-Perowskit-Tandemzellen den Weg für den kommerziellen Einsatz. Die Überwindung dieser letzten Hürden wird die nächste Ära der Solarenergie erschließen, die Kosten senken und den globalen Übergang weg von fossilen Brennstoffen beschleunigen.