Sonnenkollektoren stoßen an ihre Grenzen. Diese Kristalle könnten das ändern.

Als die Biden-Regierung Ende März eine 128-Millionen-Dollar-Initiative zur Verbesserung der Kosten für Solarenergie ankündigte, floss ein erheblicher Teil des Geldes in die Erforschung von Materialien, die nach einem obskuren russischen Geologen und Adligen des 19. Jahrhunderts benannt wurden: Lev Perovski.

Unter den aufgeführten Projekten: 40 Millionen US-Dollar für Forschung und Entwicklung zu sogenannten Perowskit-Materialien, mit denen Wissenschaftler die Grenzen der Effizienz und Anpassungsfähigkeit von Solarzellen erweitern.

Und obwohl Perowskite nichts Neues sind – sie wurden erstmals 1839 im russischen Ural gefunden und sind relativ häufig -, haben ihre neueren Anwendungen in der Solartechnologie die Hoffnung geweckt, dass die Menschen sie nutzen werden, um die Tausenden von Megawatt besser zu nutzen Energie von der Sonne, die jede Stunde auf die Erde fällt.

“Perowskite sind meiner Meinung nach eine der aufregendsten Möglichkeiten für Solarzellen in naher Zukunft”, sagte David Mitzi, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke University, der die Materialien seit den 1990er Jahren untersucht.

Jede neue Solartechnologie musste mit Siliziumsolarzellen konkurrieren, eine fest verwurzelte Technologie, die seit mehr als 50 Jahren eingesetzt wird, sagte Mitzi. Aber Perowskite hatten das Potenzial, sowohl die Effizienz von Siliziumzellen zu verbessern als auch vielleicht direkt mit ihnen zu konkurrieren: „Ich denke, es gibt definitiv Möglichkeiten.“

Effizienz ist nur eines der Merkmale. Perowskit-Zellen können leicht zu einer Vielzahl von Stromerzeugungsmaterialien und bei viel niedrigeren Temperaturen – und damit möglicherweise geringeren Kosten – als Siliziumzellen hergestellt werden. Die Stabilität und Haltbarkeit von Perowskit-Zellen muss jedoch berücksichtigt werden, bevor sie Silizium vollständig ersetzen können.

Wissenschaftler haben nun eine ganze Klasse von Perowskit-Materialien entdeckt, die eine bestimmte Struktur aufweisen und drei verschiedene Chemikalien in einer kubischen Kristallform enthalten. Sie erkannten vor Jahren, dass einige Perowskite Halbleiter waren, wie das in der Elektronik verwendete Silizium. Erst 2009 fanden Forscher heraus, dass Perowskite auch zum Bau von Solarzellen verwendet werden können, die Sonnenlicht in nutzbaren Strom umwandeln.

Die ersten Perowskitzellen hatten sehr geringe Wirkungsgrade, so dass das meiste Sonnenlicht, das auf sie fiel, nicht verwendet wurde. Aber sie haben sich schnell verbessert.

“Der Wirkungsgrad, mit dem Solarzellen mit diesen Perowskit-Materialien Sonnenlicht in Elektronen umwandeln, hat sich mit einer wirklich unglaublichen Geschwindigkeit erhöht, so dass die Wirkungsgrade jetzt denen von Siliziumsolarzellen im Labor nahe kommen”, sagte Lynn Loo, Professorin Chemieingenieurwesen an der Princeton University und Direktor des Andlinger-Zentrums für Energie und Umwelt. “Deshalb freuen wir uns sehr über diese Materialklasse.”

Perowskit-Solarzellen können auch relativ einfach hergestellt werden – im Gegensatz zu Siliziumzellen, die bei sehr hohen Temperaturen raffiniert werden müssen und daher viel Energie benötigen. Perowskite können als dünne Folien bei niedrigen Temperaturen oder als Tinten hergestellt werden, die effektiv auf Substrate aus anderen Materialien wie flexiblen Kunststoffrollen „gedruckt“ werden können.

Dies könnte zu ihrer Verwendung auf Oberflächen führen, auf denen Siliziumsolarzellen nicht praktikabel wären, z. B. im Außenbereich von Autos oder Lastwagen. oder sie können sogar auf Stoff gedruckt werden, um tragbare Elektronik mit Strom zu versorgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dünne Filme aus Perowskiten auf das Glas von Fenstern aufzubringen, wo sie den größten Teil des Lichts durchlassen und einen Teil davon zur Stromerzeugung verwenden.

Eine der vielversprechendsten Anwendungen von Perowskit-Zellen besteht jedoch darin, sie mit Siliziumzellen zu kombinieren, damit sie mehr Sonnenenergie verbrauchen als Silizium allein. Die besten Siliziumzellen nähern sich ihrem theoretischen Maximalwirkungsgrad von etwa 29 Prozent. Perowskit-Zellen können jedoch so eingestellt werden, dass sie Elektrizität aus Wellenlängen des Lichts erzeugen, die Siliziumzellen nicht verwenden – und so könnte das Abdecken von Siliziumsolarzellen mit halbtransparenten Filmen aus Perowskit-Zellen diese grundlegende Grenze überwinden.

Der Physiker Henry Snaith von der Universität Oxford, ein führender Forscher für Perowskit-Solarzellen, sieht darin eine Möglichkeit, die industrielle Dominanz von Silizium mit den technologischen Vorteilen von Perowskiten zu verbinden. Er glaubt, dass Tandem-Silizium- und Perowskit-Zellen mit Wirkungsgraden von über 40 Prozent innerhalb von 10 Jahren kommerziell weit verbreitet sein könnten und dass ihnen bald mehrschichtige Zellen mit Wirkungsgraden von über 50 Prozent folgen könnten.

Das Potenzial von Perowskit-Solarmodulen hat sowohl hier als auch in Übersee die Aufmerksamkeit der Regierung auf sich gezogen. Perowskite könnten nicht nur neue Geschäftsmöglichkeiten für US-Unternehmen schaffen, sondern auch eine relativ kostengünstige Möglichkeit für Solarenergie sein, fossile Brennstoffe zur Stromerzeugung in Frage zu stellen. “Ich denke, viele von uns streben danach, dass die Technologie wirklich anfängt, einige der Probleme des Klimawandels anzugehen, die bis 2050 gelöst werden müssen”, sagte der Physiker Joe Berry, der die Forschung zu Solarperowskiten am National Renewable Energy Laboratory in leitet Golden, Colorado.

Perowskit-Solarzellen sind jedoch immer noch mit Problemen konfrontiert, und der Schlüssel dazu ist das Problem der Stabilität. Zum Teil, weil sie einfach herzustellen sind, werden Perowskit-Zellen auch schnell durch Feuchtigkeit und Hitze abgebaut. Einige experimentelle Perowskit-Zellen sind seit Zehntausenden von Stunden stabil geblieben, aber sie haben noch einen langen Weg vor sich, um die 25 oder 30-jährige Verwendung von Siliziumzellen zu bewältigen, sagte Snaith.

Einige der vielversprechendsten Perowskit-Materialien für Solarenergie enthalten auch Blei, das beim Abbau der Perowskit-Zellen in die Umwelt freigesetzt werden kann. Die Forscher untersuchen Alternativen zu Perowskiten auf Bleibasis wie Perowskiten auf Zinnbasis und ähnlichen Kristallstrukturen, die andere, sicherere Substanzen enthalten.

“Ich denke, es stehen einige Herausforderungen bevor”, sagte Loo. “Ob [perovskites] Eine wichtige Rolle spielen wird davon abhängen, ob wir diese Herausforderungen bewältigen können. ”

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