Flexible Solarzellen, die keine seltenen und teuren Elemente enthalten, ebnen laut einer neuen Studie der Universität Sheffield den Weg für die Entwicklung kostengünstiger und effizienter Solarenergie. Die in Zusammenarbeit mit dem britischen Unternehmen Power Roll durchgeführte und in der Fachzeitschrift ACS Applied Energy Materials veröffentlichte Studie beleuchtet die Entwicklung einen neuen Solarzellentyp auf der Basis von Perowskit-Halbleitern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen werden diese Zellen hergestellt, indem winzige Rillen in eine Kunststofffolie gestanzt und anschließend mit dem Perowskit-Material gefüllt werden.
Leichte und flexible Solarfolien
Dieser neue Ansatz bietet die Möglichkeit, leichte und flexible Solarfolien herzustellen, die auf Oberflächen wie Dächern und anderen unkonventionellen Oberflächen verwendet werden können, die normalerweise das Gewicht von Solarmodulen nicht tragen können. Zusammen mit den zu erwartenden niedrigen Kosten könnte dies die Verbreitung der Solarenergie, insbesondere in Entwicklungsländern, erheblich beschleunigen. Und einen echten Unterschied bei den Bemühungen machen, fossile Brennstoffe durch nachhaltige Solarenergie zu ersetzen.
Die neue Mikrorillenstruktur ermöglicht eine neue Art von Solarzellen mit Rückkontakt. Herkömmliche Zellen verwenden eine Sandwichstruktur aus mehreren Schichten, die in einer bestimmten Reihenfolge aufgebracht werden. Bei Rückkontaktzellen befinden sich alle elektrischen Kontakte auf der Rückseite, was die Herstellung einfacher und kostengünstiger macht und ein hohes Effizienzpotenzial bietet.
Um die Struktur und Zusammensetzung der Solarzellen zu überprüfen, wurde ein Hart-Röntgen-Nanosondenmikroskop bei Diamond Light Source in Oxfordshire eingesetzt, welches sehr detaillierte Bilder der Solarzellen lieferte. Diese halfen auch, versteckte Probleme wie Hohlräume, Defekte und Grenzen zwischen winzigen Kristallen im Halbleitermaterial zu erkennen. Es war das erste Mal, dass diese Art der Analyse bei dieser Art von Solarzelle angewendet wurde.
Darüber hinaus kommt die neue Technologie ohne den Einsatz seltener und teurer Materialien wie Indium aus und ist damit kostengünstig, skalierbar und nachhaltig. Professor David Lidzey von der School of Mathematical and Physical Sciences der Universität Sheffield und Co-Autor des Artikels sagte: „Ein wesentlicher Vorteil dieser flexiblen Folien ist, dass die Panele auf jede Oberfläche geklebt werden können. In Großbritannien muss man sich derzeit zweimal überlegen, ob man dicke Solarpanele auf relativ fragile Dächer von Lagerhallen aufbringt, die eigentlich nicht für eine hohe Tragfähigkeit ausgelegt sind. Mit dieser leichtgewichtigen Solartechnologie könnte man sie im Grunde überall anbringen. Dies könnte die Solarenergie in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen revolutionieren.“
Forschung und industrieller Fortschritt kombiniert
„Solarenergie stellt eine strategische Priorität unserer Forschung dar und eine unserer Kernkompetenzen liegt in der Entwicklung innovativer Techniken zur Herstellung und Abscheidung lösungsverarbeitbarer Solarzellen“, so Lidzey und weiter: „Wir arbeiten seit über 10 Jahren mit Power Roll zusammen und kombinieren unser Fachwissen in Materialwissenschaft und fortschrittlichen Bildgebungstechniken mit ihrem Fokus auf die Fertigung. Diese Zusammenarbeit war sehr erfolgreich und hat zu diesem aufregenden neuen Produkt geführt.“
Die Universität Sheffield forscht in den Bereichen Nachhaltigkeit und fortschrittliche Fertigung. Das Engagement der Universität bei der Erforschung globaler Energieprobleme und erneuerbarer Energien macht sie zu einem passenden Partner für Power Roll, dessen Technologie darauf abzielt, durch ein sicheres und einsatzbereites Produkt globale saubere Energielösungen zu schaffen. In den letzten Jahren haben die beiden Unternehmen bereits zusammengearbeitet, um Technologie für die Zukunft zu entwickeln.
Dr. Nathan Hill, Wissenschaftler bei Power Roll und Hauptautor des Papiers, sagte: „Diese Partnerschaft zeigt das Potenzial der Kombination von Spitzenforschung und industrieller Innovation, um bahnbrechende Lösungen im Bereich erneuerbarer Energien zu liefern. Wir entwickeln Technologien weiter, die eine bedeutende Rolle bei der Erreichung globaler Netto-Null-Ziele spielen könnten, und durch die Kombination unserer gemeinsamen Forschungs- und akademischen Fähigkeiten können wir die Wissenschaft, die hinter der Technologie von Power Roll steckt, weiter untermauern.“
„Es ist spannend zu sehen, wie sich unsere Beziehung zur Universität Sheffield weiter festigt. Zuvor haben wir mit dem Fachbereich Physik und Astronomie der Universität zusammengearbeitet, um unsere Solardesigns weiterzuentwickeln, was nicht nur die Herstellungskosten senkte, sondern auch die Solareffizienz verbesserte“, so Hill.
Nächster Schritt: Gerätebetriebs und Gerätestabilität verstehen
Da die Solarenergiegewinnung aus Perowskiten noch ein aufstrebendes Gebiet ist, beschleunigen die laufenden Forschungsarbeiten den Fortschritt bei der Produktentwicklung und dem wissenschaftlichen Verständnis. Die nächste Phase der Arbeit an diesem Projekt wird darin bestehen, den Einsatz der Röntgenmikroskopie zur Charakterisierung dieser Materialien weiterzuentwickeln. Für den Sommer 2025 sind neue Experimente an der Diamond Light Source geplant, um wichtige Aspekte des Gerätebetriebs, insbesondere die Gerätestabilität, zu verstehen.
Dr. Jessica Walker, I14-Strahllinienwissenschaftlerin bei Diamond Light Source sagte: „Die von I14 angebotenen Techniken und Auflösungen eignen sich ideal, um wissenschaftliche Fragen zu beantworten, die noch zu Solarzellenmaterialien auf Perowskitbasis offen sind. Es ist spannend zu sehen, wie unsere Fähigkeiten sowohl zur akademischen als auch zur industriellen Forschung beigetragen haben und zu einer so vielversprechenden Entwicklung im Bereich der Energiematerialien sowie einer direkten und greifbaren Anwendung mit hohem Wirkungspotenzial geführt haben.“
