Trotz aller Bemühungen, die Energieversorgung des Landes auf erneuerbare Quellen umzustellen, macht die Solarenergie immer noch etwas weniger als drei Prozent der in den USA erzeugten Elektrizität aus. Das liegt zum Teil an den relativ hohen Kosten für die Herstellung von Solarzellen.
Eine Möglichkeit, die Produktionskosten zu senken, wären Solarzellen, die günstigere Materialien verwenden als die heutigen Modelle auf Siliziumbasis. Um dies zu erreichen, haben sich einige Ingenieure auf Halogenid-Perowskit konzentriert, ein herstellbares Material mit sich wiederholenden, würfelförmigen Kristallen. Theoretisch ließen sich damit Solarzellen aus Rohstoffen bauen, die weniger kosten und leichter verfügbar sind als Silizium. Sie könnten auch mit weniger Energie und einem einfacheren Herstellungsverfahren produziert werden.
Ein Hindernis war bisher, dass Perowskit bei Licht- und Wärmeeinwirkung zerfällt – besonders problematisch für Geräte, die Energie aus der Sonne gewinnen sollen. Nun hat eine internationale Forschungskooperation unter der Leitung der University of California (UCLA) eine Möglichkeit entwickelt, Perowskit in Solarzellen zu verwenden und es gleichzeitig vor den Bedingungen zu schützen, die seine Zersetzung verursachen.
Nach 1.000 Stunden noch 93 Prozent Effizienz
Die Fähigkeit von Halogenid-Perowskit, Licht in Elektrizität umzuwandeln, ist darauf zurückzuführen, dass seine Moleküle ein sich wiederholendes Gitter aus Würfeln bilden. Diese Struktur wird durch Bindungen zwischen Ionen mit entgegengesetzten Ladungen zusammengehalten. Licht und Wärme führen jedoch dazu, dass negativ geladene Ionen aus dem Perowskit herausspringen, wodurch die Kristallstruktur beschädigt und die Energieumwandlungseigenschaften des Materials beeinträchtigt werden.
Die Wissenschaftler fügten dem Perowskit in ihrer Studie kleine Mengen von Ionen eines Metalls namens Neodym hinzu. Neodym wird häufig in Mikrofonen, Lautsprechern, Lasern und dekorativem Glas verwendet. Seine Ionen haben genau die richtige Größe, um sich in einem kubischen Perowskit-Kristall einzuschmiegen, und sie tragen drei positive Ladungen, die, so die Hypothese der Wissenschaftler, dazu beitragen, negativ geladene Ionen an ihrem Platz zu halten.
Etwa acht Neodym-Ionen pro 10.000 Perowskit-Moleküle wurden hinzugefügt. Dann testeten die Forscher die Leistung des Materials in Solarzellen. Bei maximaler Leistung und mehr als 1.000 Stunden Dauerlicht behielt eine Solarzelle mit dem verstärkten Perowskit etwa 93 Prozent ihrer Effizienz bei der Umwandlung von Licht in Strom. Im Gegensatz dazu verlor eine Solarzelle mit Standard-Perowskit unter den gleichen Bedingungen nach 300 Stunden die Hälfte ihres Wirkungsgrads bei der Stromumwandlung.
Das Team bestrahlte die Solarzellen auch mit Dauerlicht, ohne dass ein Gerät Strom bezog, was die Zersetzung von Perowskit beschleunigt. Ein Gerät, das Perowskit mit Neodym verwendete, behielt nach mehr als 2.000 Stunden 84 Prozent seines Wirkungsgrads, während ein Gerät mit Standard-Perowskit nach dieser Zeitspanne nichts von seinem Wirkungsgrad verloren hatte.
Schutz vor hohen Temperaturen
Um die Temperaturresistenz des Materials zu testen, erhitzten die Forscher Solarzellen mit beiden Materialien auch auf etwa 82 °C. Die Solarzelle mit verstärktem Perowskit behielt nach mehr als 2.000 Stunden etwa 86 Prozent ihres Wirkungsgrads, ein Standard-Perowskit-Gerät verlor in dieser Zeit vollständig seine Fähigkeit, Licht in Strom umzuwandeln.
In vielen früheren Studien, die darauf abzielten, Perowskit haltbarer zu machen, wurde damit experimentiert, dem Material Schutzschichten hinzuzufügen, was jedoch weitgehend fehlschlug. Die Idee, das Material selbst zu verbessern, stammt vom Erstautor Yepin Zhao. Er habe sich von einer Technik inspirieren lassen, die üblicherweise bei der Herstellung von Siliziumhalbleitern eingesetzt wird, sagt er: der Zugabe kleiner Mengen anderer Verbindungen, um die Eigenschaften des Materials zu verändern.
„Die Ionen neigen dazu, sich durch das Perowskit zu bewegen wie Autos auf der Autobahn, und das führt dazu, dass das Material zusammenbricht“, erklärt Zhao. „Mit Neodym haben wir eine Straßensperre gefunden, um den Verkehr zu verlangsamen und das Material zu schützen.“
Markteinführung in zwei bis drei Jahren?
Nach Co-Autor Yang Yang könnte der Fortschritt dazu beitragen, Perowskit-Solarzellen innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre auf den Markt zu bringen. „Perowskit wird die Welt verändern, denn es kann in Massenproduktion hergestellt werden, wie es bei Silizium nicht möglich ist“, sagt er, „und wir haben einen Zusatzstoff gefunden, der das Material verbessert.“
Die Forschung wurde vom US-Energieministerium, der Nationalen Forschungsstiftung Koreas, der Nationalen Stiftung für Naturwissenschaften Chinas und dem Wissenschaftlichen und Technologischen Forschungsrat der Türkei finanziert.
