Fotovoltaik: Künftig Solarstrom zum Billigtarif?
EPFL-Forschende haben entdeckt, dass Licht die Herstellung von Perowskit-Kristallen für Fotovoltaikanlagen je nach Methode verbessert oder verschlechtert. Solche Solarzellen könnten künftig Solarstrom zum Billigtarif liefern.
Perowskite sind Materialien, die derzeit die Solarbranche aufmischen: Sie könnten die Kosten für die Solarenergie erheblich senken. Die Ausbeute solcher Solarzellen hängt jedoch von der Herstellung der Perowskit-Kristallschicht ab.
Wissenschaftler um Michael Grätzel von der ETH Lausanne haben untersucht, wie sich Licht auf zwei gängige Herstellungsverfahren auswirkt, wie die Hochschule mitteilt. Die Forschenden berichteten davon im Fachblatt «Nature». Bei bisherigen Bemühungen zur Steigerung der Ausbeute von Perowskit-Solarzellen, stand stets die Optimierung der Architektur der Zellen und ihres Herstellungsprozesses im Fokus. Allerdings seien viele fundamentale Aspekte bei der Herstellung der Perowskit-Kristalle noch unklar, wie die EPFL weiter schrieb. Durch das fehlende Wissen, welche Faktoren und Mechanismen die Reaktion beeinflussen, könne es zu inkonsistenter Qualität von einer Charge zur nächsten kommen.
Licht versus Dunkelheit
Die EPFL-Doktorandin Amita Ummadisingu und ihre Kollegen untersuchten mithilfe von spezieller Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie, wie sich direktes Licht auf zwei gängige Herstellungsverfahren für die Perowskit-Kristalle auswirkt. Dabei stellten sie fest, dass die eine von Licht profitiert, die andere aber bessere Resultate in Dunkelheit liefert.
Bei der ersten Methode - der sogenannten sequentiellen Ablagerung - wird Bleijodid auf ein Gerüst aus Titandioxid gegeben und anschliessend in eine Methylammonium-Jodid-Lösung getaucht, um Methylammonium-Bleijodid-Perowskit zu erzeugen. Licht - insbesondere mit Sonnenintensität - beschleunige die Bildung des Kristalls, berichten Ummadisingu und ihre Kollegen.
Bei der zweiten Methode, die hingegen bessere Resultate bei Dunkelheit liefert, werden die Komponenten in einem Lösungsmittel gelöst und gleichmässig auf eine rotierende Fläche aufgetragen, um eine gleichmässig dünne Schicht zu erzeugen. Damit das Perowskit kristallisiert, wird ein Anti-Lösungsmittel dazugetropft und das Ganze anschliessend erwärmt.
«Überraschenderweise stellen wir fest, dass Licht die Kristallisationsrate und die Struktur der Perowskite bei gängigen Methoden beeinflusst, bei denen bisher nie ein Licht-Effekt bemerkt wurde», sagte Grätzel in der Mitteilung. Den Lichteinfall während der Herstellung zu kontrollieren könne helfen, die beste Leistung aus Perowskit-Solarzellen herauszuholen.
Revolution der Fotovoltaikforschung
Perowskit-Solarzellen gehen auf das Prinzip der sogenannten «Grätzel-Zelle» zurück, die Michael Grätzel Anfang der 1990er Jahre entwickelte und damit die Fotovoltaik-Forschung revolutionierte. Diese elektrochemische Farbstoff-Solarzelle nutzt zur Lichtabsorption nicht ein Halbleitermaterial wie in den heute handelsüblichen Silizium-Solarzellen, sondern organische Farbstoffe. Allerdings blieb die Effizienz der Farbstoffsolarzellen mit rund 13 Prozent relativ gering.
2009 ersetzte eine japanische Forschergruppe den Farbstoff durch bleihaltige Perowskit-Kristalle: Die Perowskit-Solarzelle war geboren und hat seither zahlreiche Verbesserungsschritte durchgemacht. Forschende konnten die Ausbeute von anfänglichen vier auf mittlerweile rund 20 Prozent steigern. Noch besser schneiden derzeit jedoch immer noch Solarzellen auf Basis von monokristallinem Silizium ab, mit einer Effizienz von über 20 Prozent. (sda/pb)
