Perowskit-Solarzellen: Vorteile, Herausforderungen und Zukunftsaussichten

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung
2. Was sind Perowskit-Solarzellen?
3. Vorteile von Perowskit-Solarzellen
4. Technische Herausforderungen bei der praktischen Anwendung von Perowskit-Zellen
5. Neueste Forschungsergebnisse zu Perowskit-Solarzellen
6. Potenzielle Anwendungen von Perowskit-Solarzellen
7. Fazit

Einführung

Mit der wachsenden globalen Nachfrage nach erneuerbaren Energien haben Perowskit-Solarzellen als aufstrebende Photovoltaik-Technologie erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Diese Solarzellen der dritten Generation, die auf Materialien mit Perowskit-Struktur basieren, zeigen aufgrund ihrer hohen Effizienz, niedrigen Kosten und vielfältigen Anwendungsszenarien ein enormes Potenzial. Dieser Artikel zielt darauf ab, einen umfassenden Überblick über Perowskit-Solarzellen zu bieten, indem er ihre grundlegenden Konzepte, Vorteile, technischen Herausforderungen, neuesten Forschungsergebnisse und potenziellen Anwendungen abdeckt und den Lesern ein gründliches Verständnis dieser vielversprechenden Technologie vermittelt.

Was sind Perowskit-Solarzellen?

Perowskit-Solarzellen sind eine Art von Solarzellen der dritten Generation, die Perowskit-strukturierte Materialien nutzen. Perowskite sind eine Klasse von Materialien, die durch eine spezifische Kristallstruktur gekennzeichnet sind und typischerweise durch die chemische Formel ABX₃ dargestellt werden. In dieser Formel stehen 'A' und 'B' für zwei verschiedene Metallkationen und 'X' ist ein Anion, die zusammen ein einzigartiges Kristallgitter bilden. Im Kontext von Perowskit-Solarzellen bestehen 'A' und 'B' normalerweise aus organischen Molekülen und Metallhalogeniden. Diese Kombination führt zu Materialien mit außergewöhnlichen lichtabsorbierenden und elektronischen Eigenschaften, was Perowskit-Solarzellen zu einer vielversprechenden Alternative zu traditionellen Photovoltaik-Technologien macht.

Vorteile von Perowskit-Solarzellen im Vergleich zu Silizium-basierten Zellen

Perowskit-Solarzellen bieten mehrere Vorteile gegenüber traditionellen, auf Silizium basierenden Zellen, einschließlich PERC-, TOPCon-, IBC- und HJT-Zellen:

1. Hohe Effizienz: Perowskit-Solarzellen weisen hohe Wirkungsgrade auf. Die theoretische maximale Umwandlungseffizienz von Einknoten-Perowskit-Zellen kann bis zu 31 % erreichen, während Mehrknoten-Perowskit-Zellen theoretische Effizienzen von bis zu 45 % erzielen können, was deutlich über dem Effizienzlimit von 29,4 % für Silizium-basierte Zellen liegt.
2. Niedrige Kosten: Perowskit-Materialien sind weniger empfindlich gegenüber Verunreinigungen, sodass Zellen mit über 20 % Effizienz aus Perowskit-Materialien mit einer Reinheit von etwa 90 % hergestellt werden können. Im Gegensatz dazu erfordert Silizium eine Reinheit von 99,9999 % für eine effektive Nutzung. Darüber hinaus erfordert die Produktion von Perowskit-Solarzellen eine relativ geringere Investition in die industrielle Lieferkette, da nur eine einzige Fabrik benötigt wird, verglichen mit den vier Fabriken, die für Silizium-basierte Zellen erforderlich sind (Siliziummaterial, Siliziumwafer, Zelle und Modul).
3. Breites Anwendungsspektrum: Perowskit-Solarzellen können in flexiblen, leichten Formen hergestellt werden, wodurch sie sich für verschiedene Anwendungen eignen, einschließlich gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV), flexibler Displays, tragbarer Kleidung, Zelte, tragbarer Stromquellen und anderer tragbarer Geräte.
4. Ausgezeichnete Leistung bei schwachem Licht: Perowskit-Materialien können in Umgebungen mit wenig Licht effizient arbeiten, wie bei bewölktem Wetter oder während der Morgen- und Abenddämmerung. Dies ermöglicht es Perowskit-Solarzellen, auch unter suboptimalen Lichtbedingungen eine gute Leistung zu erbringen, was ihr gesamtes Energieerzeugungspotenzial erhöht.

Technische Herausforderungen bei der praktischen Anwendung von Perowskit-Zellen

Trotz ihrer vielversprechenden Eigenschaften stehen Perowskit-Solarzellen bei der praktischen Anwendung vor mehreren technischen Herausforderungen:

1. Langzeitstabilität: Die Stabilität von Perowskit-Materialien unter Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit, Temperatur und Lichteinwirkung ist eine bedeutende Herausforderung. Perowskit-Solarzellen können unter diesen Bedingungen über längere Zeiträume hinweg degradieren. Während Labortests eine Lebensdauer von etwa einem Jahr gezeigt haben, liegt dies immer noch unter der von Silizium-Solarzellen. Die Standardisierung von Stabilitätstests ist ein aktueller Forschungsschwerpunkt.
2. Ausbalancieren von Effizienz und Stabilität: Die Erhöhung der Umwandlungseffizienz von Perowskit-Solarzellen geht oft auf Kosten ihrer Langzeitstabilität. Hocheffiziente Perowskit-Zellen schneiden manchmal schlecht in Langzeitstabilitätstests ab. Das optimale Gleichgewicht zwischen Effizienz und Stabilität zu finden, ist ein zentrales Forschungsziel.
3. Effizienzverlust bei großflächigen Anwendungen: Die Gleichmäßigkeit und Dichte der Perowskit-Schichten bei großflächigen Anwendungen stehen in engem Zusammenhang mit Effizienzverlusten. Kleine Perowskit-Zellen, die in Laboren hergestellt werden, können hohe Effizienzwerte erreichen, aber diese Effizienz kann bei der Skalierung auf größere, praktische Anwendungen abnehmen.
4. Ungeklärte Materialsysteme: Die Herstellung von Perowskit-Zellen umfasst verschiedene Materialwahlmöglichkeiten, und das Materialsystem ist noch nicht vollständig standardisiert. Dies erhöht die Unsicherheit und die Kosten im Produktionsprozess. Unterschiedliche Forschungsteams können verschiedene Perowskit-Materialkombinationen verwenden, was zu Variationen in Leistung und Stabilität führt.
5. Unsicherheiten in Kristallisationsprozessen: Der Herstellungsprozess von Perowskit-Zellen umfasst komplexe Kristallisationsprozesse, und Unsicherheiten in diesen Prozessen können die Leistung und Stabilität der Zellen beeinträchtigen. Verschiedene Kristallisationsmethoden und -bedingungen können zu erheblichen Unterschieden in der Qualität und Leistung der Perowskit-Dünnschichten führen.
6. Verkapselung und Schutz: Effektive Verkapselungstechniken sind erforderlich, um Perowskit-Zellen vor Umweltfaktoren zu schützen. Dies beinhaltet die Auswahl geeigneter Verkapselungsmaterialien und -prozesse, um die Zellen vor Feuchtigkeit und Sauerstoff zu schützen.

Neueste Forschungsergebnisse zu Perowskit-Solarzellen

Im Jahr 2024 wurden bedeutende Fortschritte in der Forschung zu Perowskit-Solarzellen erzielt. Hier sind einige der wichtigsten Entwicklungen:

1. HUST Wuhan National Laboratory for Optoelectronics: Das Team unter der Leitung von Wei Chen und Zonghao Liu veröffentlichte eine Studie in Nature, in der sie den Einsatz eines selbstorganisierenden Monoschicht-Hybrid-Lochleitermaterials (HTM) zur Steigerung der Effizienz von invertierten Perowskit-Solarzellen demonstrierten. Dieses Material bietet eine ultra-wettbare Oberfläche, nanoskalige gleichmäßige Verteilung, schnelle Ladungsträgerextraktion und geringe nichtstrahlende Rekombination. Diese Eigenschaften ermöglichen einen effizienten Ladungstransport und die Passivierung von Defekten an der vergrabenen Grenzfläche, was die Geräteleistung erheblich verbessert. Die resultierenden invertierten Perowskit-Solarzellen erreichten eine quasi-stabile Effizienz von 26,54 %, zertifiziert von einer autoritativen Drittpartei, und übertrafen damit den bisherigen Rekord für zertifizierte Effizienz.
2. Tsinghua-Universität: Das Team unter der Leitung von Yichen Yi entwickelte ein neues Lochleitermaterial (HTM-T2) in Kombination mit vakuumaufgedampften Perowskit-Dünnschichten und erzielte damit einen Weltrekord von 26,41 % Effizienz für Perowskit-Solarzellen. HTM-T2 kann aus kostengünstigen kommerziellen Rohstoffen in wenigen Schritten synthetisiert werden, was es hochgradig geeignet für die Massenproduktion macht. Das Team erreichte auch eine zertifizierte Effizienz von 26,21 % für PSCs mit einer Fläche von 0,1 cm² und 24,88 % für PSCs mit einer Blendenfläche von 1,0 cm².
3. Institut für Chemie, Chinesische Akademie der Wissenschaften: Das Team unter der Leitung von Yongfang Li und Lei Meng schlug eine Strategie der lokalisierten Oxidationstechnik (LOE) vor, um den geeigneten Oxidationszustand von SnO2 in der Elektronenleitschicht effektiv zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten. Durch die Zugabe von Ammoniumdichromat als Oxidationsmittel kompensierten sie überschüssige Sauerstoffvakanz und bildeten eine ultradünne Cr2O3 p-Typ-Halbleiterschicht als Reduktionsprodukt. Der Cr2O3/SnO2-Nanometer-p-n-Übergang verbessert die Ladungsträgerextraktion und reduziert die nichtstrahlende Rekombination an der vergrabenen Grenzfläche. Die α-FAPbI3-basierten Perowskit-Solarzellen mit dieser ETL erreichten einen Wirkungsgrad (PCE) von 25,72 % (zertifizierte Effizienz von 25,41 %) und zeigten eine T90>700h Betriebsstabilität unter kontinuierlicher 1-Sonnen-Bestrahlung.
4. Shanghai Jiao Tong-Universität: Im März 2024 veröffentlichte ein Forscherteam eine Studie in Science, die zeigte, dass ihre invertierten Perowskit-Solarzellen 98,5 % ihrer anfänglichen Effizienz nach 1000 Stunden Lagerung bei 85 % relativer Luftfeuchtigkeit und 85°C beibehielten. Darüber hinaus behielten diese Zellen 98,2 % ihrer anfänglichen Effizienz nach dem Betrieb am maximalen Leistungspunkt für 1200 Stunden bei 85°C.

Potenzielle Anwendungen von Perowskit-Solarzellen

Perowskit-Solarzellen haben aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile wie hoher Effizienz, Leichtigkeit, Flexibilität und Halbtransparenz ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen. Hier sind einige potenzielle Anwendungsfälle:

1. Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV): Perowskit-Solarzellen können in Baumaterialien wie Fenstern, Glasfassaden oder Dächern integriert werden, wodurch Ästhetik mit Energieerzeugung kombiniert wird.
2. Tragbare Stromquellen: Durch ihre Leichtigkeit und Flexibilität können Perowskit-Solarzellen in tragbare elektronische Geräte wie Smartphones, Tablets und Wearables integriert werden und drahtlose Ladefunktionen bieten.
3. Fahrzeugintegration: Perowskit-Solarzellen können in die Oberflächen von Fahrzeugen, Drohnen und Elektrofahrrädern integriert werden, um zusätzliche Energie zu liefern, die Reichweite zu verlängern oder die Abhängigkeit von externen Stromquellen zu verringern.
4. Netzunabhängige Stromversorgung: In abgelegenen Gebieten oder Entwicklungsländern können Perowskit-Solarzellen Teil netzunabhängiger Stromsysteme sein und sauberen Strom liefern.
5. Photovoltaik-Anwendungen im Innenbereich: Aufgrund ihrer starken Lichtabsorption können Perowskit-Solarzellen auch unter Innenbeleuchtung Strom erzeugen, was sie für die Beleuchtung im Innenbereich und für Geräte mit geringem Stromverbrauch wie Sensoren geeignet macht.
6. Raumanwendungen: Die Leichtigkeit und hohe Effizienz von Perowskit-Solarzellen machen sie ideal für Raumanwendungen, wo sie Satelliten und andere Raumfahrzeuge mit Strom versorgen können.
7. Landwirtschaft: Perowskit-Solarzellen können in landwirtschaftlichen Überwachungs- und Automatisierungssystemen eingesetzt werden, wie Bewässerungssteuerungen, Wetterstationen und Ernteüberwachungsgeräten.
8. Militär und Verteidigung: Aufgrund ihrer hohen Effizienz und Portabilität können Perowskit-Solarzellen in militärischer Ausrüstung und unbemannten Aufklärungsdrohnen eingesetzt werden, um zuverlässige Energie zu liefern.
9. Konsumelektronik: Perowskit-Solarzellen können in verschiedene Konsumelektronikprodukte integriert werden, wie E-Reader, tragbare Lautsprecher und digitale Uhren.
10. Katastrophenhilfe und Notfalleinsätze: Bei Naturkatastrophen oder Notfällen können Perowskit-Solarzellen schnell eingesetzt werden, um sofortigen Strom für Rettungseinsätze bereitzustellen.

Schlussfolgerung

Die Forschung und Anwendung von Perowskit-Solarzellen schreiten kontinuierlich voran und bieten grenzenloses Potenzial für die zukünftige Entwicklung. Mit fortlaufenden technologischen Durchbrüchen und kontinuierlichen Kostensenkungen sind Perowskit-Solarzellen bereit, in Zukunft eine bedeutende Rolle auf dem Photovoltaikmarkt zu spielen und zur globalen Energiewende und nachhaltigen Entwicklung beizutragen. Wir freuen uns auf die großflächige Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen in naher Zukunft, die sauberere und effizientere Energielösungen für die Menschheit bringen werden.

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