Solarzellen mit neuen Schnittflächen: Innovatives zweidimensionales Material steigert den Wirkungsgrad
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(Russland) und der römischen Universität Tor Vergata haben erkannt,
dass eine mikroskopische Menge zweidimensionalen Titancarbid,
bekannt als MXene, die Sammlung von elektrischen Ladungen in einer
Perowskit-Solarzelle bedeutend verbessert, was den letztendlichen
Wirkungsgrad um mehr als 20 % erhöht. Diese Forschungsergebnisse
wurden in Nature Materials
(https://www.nature.com/articles/s41563-019-0478-1) veröffentlicht.
Solarzellen mit dünner Perowskit-Beschichtung stellen eine
vielversprechende neue, und derzeit weltweit aktiv in der Entwicklung
steckende Technik für alternative Energiequellen dar. Einer der
Vorteile ist der einfache, kostengünstige Herstellungsprozess:
Perowskit-Solarzellen können ohne den Einsatz von Vakuum- oder
Hochtemperaturprozessen, wie sie für herkömmliche Siliziumzellen
erforderlich sind, auf besonderen Tintenstrahldruckern oder
Schlitzdüsendruckern aus Lösungen gedruckt werden. Einen weiteren
Vorteil bietet die Möglichkeit der Herstellung flexiblen
Trägermaterials aus Plastik, wie das geläufige
Polyethylenterephthalat (PET). Dies erlaubt die Nutzung von
Perowskit-Photovoltaik (PV) zur Integration in Gebäuden, bei der die
dünne Beschichtung an Wände und/oder andere Flächen montiert werden
kann, wie z. B. gebogene Glasfassaden und Fenster.
Angesichts dieser neuen PV-Technologie beläuft sich das
internationale Forschungsbestreben auf die Entwicklung der besten
Strategie zur Wirkungsgradverbesserung durch Stabilität der
Perowskit-Solarzellen. Der Wirkungsgrad der Perowskit-Solarzellen ist
bereits mit dem analoger Siliziummodelle vergleichbar, die auf dem
Markt dominieren (der bisher höchste Wirkungsgrad von Perowskit liegt
bei 25,2 % und der von Siliziumzellen bei 26,7 %). Allerdings sind
Perowskit-Solarzellen aufgrund von mehreren internen
Zersetzungsfaktoren noch instabil. Mehrere Forschergruppen aus
Universitäten und F&E-Unternehmen drängen derzeit nach Untersuchungen
und Studien zur Lösung der Instabilitätsprobleme von Perowskit-Zellen
und deren Wirkungsgradsteigerung. Bei den meisten Ansätzen geht es um
die Optimierung der chemischen Zusammensetzung von Perowskit, die
Stabilisierung der Schnittflächen der Einheit und die Aufnahme neuen
Nanomaterials.
Ein internationales Team aus Wissenschaftlern des L.A.S.E.
(Laboratory for Advanced Solar Energy), Abteilung für Funktionale
Nanosysteme und Hochtemperaturwerkstoffe, beide bei der NUST MISIS in
Russland, und der Universität Tor Vergata in Rom gaben unter der
Leitung von Professor Aldo Di Carlo ihren anfänglichen Ansatz eines
Perowskit -Solarzellendesigns mit höherer Leistung bekannt, d. h. der
Einsatz von zweidimensionalen Titancarbid-Verbindungen mit dem Namen
MXenes zur Dotierung von Perowskit.
"Wir haben entdeckt, dass MXenes aufgrund ihrer einzigartigen
zweidimensionalen Beschaffenheit zur Feineinstellung der
Schnittflächeneigenschaften von Perowskit verwendet werden können,
was eine neue Optimierungsstrategie für diese 3. Generation der
Solarzelle erlaubt", sagt Professor Di Carlo.
Die Solarzelle mit dünner Perowskit-Beschichtung besteht aus einer
Sandwich-ähnlichen Struktur, in der die Aufladungen über die
Schnittflächen von einer Schicht zur nächsten gelangen und selektiv
an den Elektroden sammeln, dessen Ergebnis die Energieumwandlung aus
Sonnenlicht in Strom darstellt. Kurz gesagt sollten die Elektronen
aus der Absorberschicht ohne die von internen Energiebarrieren
möglicherweise induzierten Verluste auf die Elektroden übertragen
werden, und die Aufnahme von MXene verbessert diesen Prozess.
"Zur Wirkungsgradsteigerung der Perowskit-Solarzellen müssen wir
die Struktur der Einheit, die Master-Schnittfläche und die
Mengeneigenschaften jeder einzelnen Schicht optimieren, um den
Prozess der Aufladungsextrahierung an die Elektroden zu verbessern",
sagt Danila Saranin dazu, eine der Verfasser*innern und Forscherin
bei L.AS.E. - "Zur Problemlösung haben wir gemeinsam mit unseren
italienischen Kollegen eine Reihe von Experimenten durchgeführt, bei
denen wir eine mikroskopische Menge der MXene in die
Perowskit-Solarzelle aufnahmen. Am Ende erzielten wir im Vergleich zu
den ursprünglichen Prototypen eine Wirkungsgradsteigerung der
Einheiten um mehr als 25 %."
MXene wurden auf sequenziell indifferente Schichten der
Perowskit-Solarzelle angewendet: lichtabsorbierende Schichten,
Elektrontransportschichten, die auf Titandioxid basieren, sowie auf
die zwischengelagerte Schnittfläche. Nach Analyse der Ausgabeleistung
entdeckten wir, dass die effizienteste Konfiguration die mit der
Aufnahme von MXenen in allen Schichten, einschließlich der
Schnittfläche, war. Die Ergebnisse dieser Experimente konnten durch
die passende Modellierung der gewonnenen Zusammensetzung bestätigt
werden.
Diese Arbeit ist einzigartig: es ist nicht nur der erste Bericht,
der eine Reihe von Experimenten und deren Ergebnisse dokumentiert,
sondern eine eindeutige Erklärung der Mechanismen, die aus
physikalisch-chemischer Sicht in einer modifizierten
Perowskit-Solarzelle stattfinden.
"Das Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Bestimmung der
elektrischen Eigenschaften von Halbleitern, die durch den Zusatz von
MXenen entstehen. Demzufolge birgt dieses neue Nanomaterial enormes
Potenzial für den Einsatz in der Massenproduktion", setzt Anna
Pazniak, eine der Verfasser*innen, hinzu.
Derzeit ist das Team bemüht, die sich ergebende Einheit zu
stabilisieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Studie wurde im
Rahmen eines Mega-Stipendiums der Regierung der Russischen Föderation
finanziert.
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Datum: 23.09.2019 - 10:00 Uhr
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