Was hindert die Masseneinführung von Perowskit-Solarzellen?

Was ist das Besondere an Perowskit-Solarzellen?

Perowskit-Solarzellen sind eine junge Klasse von photovoltaischen Geräten, die im Bereich der erneuerbaren Energien sofort Aufmerksamkeit erregt haben. Sie verdanken ihren Namen einer Kristallstruktur, die in vielen Mineralien vorkommt. Diese neuen Zellen absorbieren Licht stark und wandeln es effektiv in Elektrizität um, wobei sie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Viele Gruppen haben nachgewiesen, dass der Wirkungsgrad der Energieumwandlung mit dem herkömmlicher Silizium-Solarzellen konkurriert und diesen sogar übertrifft. Ihr Potenzial ergibt sich aus der einfachen chemischen Zusammensetzung und den niedrigen Kosten ihrer Materialien.

Diese Solarzellen haben das Interesse geweckt, weil sie einen neuen Ansatz bieten. Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sie sich für die Integration in verschiedenen Umgebungen. Im Labor wurden Perowskit-Solarzellen mit Hilfe von Niedertemperaturlösungen hergestellt. Die gleiche Technik könnte auch den Rolle-zu-Rolle-Druck auf flexiblen Substraten ermöglichen. Dieses Verfahren ähnelt dem Druck von Zeitungen, was den Weg für eine kostengünstige Produktion ebnet. In vielen Fällen können diese Zellen auf Kunststoff statt auf starrem Glas hergestellt werden. Dies eröffnet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, von der gebäudeintegrierten Photovoltaik bis zur tragbaren Elektronik. Allerdings gibt es noch Herausforderungen bei der zuverlässigen Herstellung dieser Schichten in großem Maßstab.

Die wichtigsten Vorteile von Perowskit-Solarzellen

Neben vielen anderen Vorteilen besitzen Perowskit-Solarzellen mehrere einzigartige Vorteile gegenüber herkömmlichen Solarzellentechnologien.

- Hoher Wirkungsgrad bei der Stromumwandlung: Sie weisen einen Umwandlungswirkungsgrad auf, der dem von Zellen auf Siliziumbasis entspricht. In einigen Labortests haben diese Zellen Wirkungsgrade von nahezu 25 Prozent erreicht.

- Niedrige Herstellungskosten: Während des Produktionsprozesses können Lösungsverfahren und Rolle-zu-Rolle-Techniken eingesetzt werden. Im Vergleich zur Herstellung von Hochtemperatur-Silizium können mit diesem Verfahren der Energieverbrauch und der Materialabfall reduziert werden.

- Flexibles, leichtes Design: Dank dünner, biegsamer Schichten eignen sie sich für Baumaterialien und tragbare Elektronik. Ein Beispiel dafür ist, dass Perowskit-Schichten bereits auf Fenstern und gekrümmten Oberflächen getestet wurden, was zeigt, wie leicht sie sich an viele einzigartige Bedingungen anpassen können.

- Hohe Absorption und abstimmbare Bandlückeneigenschaften: Das Perowskit-Material kann leicht so gestaltet werden, dass es einen großen Bereich des Sonnenspektrums absorbiert. Dadurch wird die Leistung bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen verbessert.

Aufgrund dieser Vorteile stehen Perowskit-Solarzellen im Blickpunkt von Forschern, Investoren und der Industrie. Sie bieten die Art von Vorteilen, mit denen herkömmliche Solarzellentechnologien manchmal nicht mithalten können. Ihre potenzielle Wirkung ist groß, wenn man die Senkung der Produktionskosten und die Anwendung der Zellen in verschiedenen Szenarien bedenkt.

Große Herausforderungen bei der Vergrößerung von Perowskit-Solarzellen

Trotz der vielversprechenden Vorteile wird die Ausweitung von Perowskit-Solarzellen auf den Massenmarkt durch eine Reihe von Herausforderungen stark behindert.

- Stabilität und Langlebigkeit: Eines der am häufigsten diskutierten Probleme ist die Tatsache, dass Perowskit-Solarzellen unter Umweltbelastung degradieren. Das Vorhandensein von Feuchtigkeit, hohen Temperaturen und ultraviolettem Licht verkürzt tendenziell ihre Lebensdauer. Das Problem der Degradation ähnelt dem vieler empfindlicher Materialien, deren Produktion noch nicht ausgereift ist.

- Toxizität von Blei: Die meisten Perowskit-Solarzellen enthalten Blei. Dies gibt Anlass zur Sorge um die Umwelt und stellt ein Risiko dar, wenn das Blei in Ökosysteme entweicht. Die Verwendung von Blei erfordert besondere Vorsicht bei der Herstellung, dem Betrieb und dem eventuellen Recycling der Zellen.

- Reproduzierbarkeit und Einheitlichkeit: Es ist schwierig, großflächige Perowskit-Filme von gleichbleibender Qualität herzustellen. Im Labor zeigen kleinere Geräte vielversprechende Ergebnisse. Wenn Forscher jedoch versuchen, größere, einheitliche Schichten herzustellen, weisen diese in der Regel Mängel und Leistungsschwankungen auf.

- Herausforderungen bei der Herstellung: Die Integration von Perowskit-Solarzellen in bestehende Produktionslinien ist keine leichte Aufgabe. Die neuen Verfahren, die im Labor praktikabel sind, müssen für die industrielle Produktion angepasst werden. Eine gleichbleibende Leistung in großem Maßstab bleibt eine große Herausforderung für die Hersteller.

Diese Herausforderungen sind der Grund dafür, dass Perowskit-Solarzellen zwar vielversprechend sind, aber noch keine breite kommerzielle Anwendung gefunden haben. Jeder dieser Punkte erfordert ernsthafte Forschung und Tests, bevor die Technologie das Labor verlässt.

Technologische und kommerzielle Hürden

Der Weg zur Einführung auf dem Massenmarkt ist mit technischen und marktbezogenen Herausforderungen verbunden.

- Begrenzte Fortschritte bei der langfristigen Betriebsstabilität: Während die kurzfristigen Leistungen in den Labors beeindruckend sind, müssen die Solarzellen in der realen Welt über Jahrzehnte hinweg effektiv funktionieren. Es muss noch viel getan werden, um die langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

- Probleme bei der Skalierung der Verarbeitung von Lösungen für großflächige Geräte: Verfahren, die im kleinen Maßstab einen hohen Wirkungsgrad erzielen, lassen sich nicht ohne Weiteres auf viel größere Paneele skalieren. Diese Lücke ist eines der größten Hindernisse für Unternehmen, die in die Großproduktion investieren wollen.

- Abwägung zwischen Produktionskosten und Leistung in großem Maßstab: Die Leistung muss gegen die Produktionskosten abgewogen werden. In der Praxis können Verbesserungen bei Stabilität und Effizienz mit höheren Kosten verbunden sein. Dies ist das wichtige Gleichgewicht, das den Zellen einen Wettbewerbsvorteil gegenüber etablierten Technologien verschaffen wird.

- Fehlende Infrastruktur für die Vermarktung: Es gibt noch keine voll entwickelte Lieferkette oder Produktionsanlage für diese neuen Solarzellen. Diese Lücke beeinträchtigt das Tempo, mit dem die Zellen in die etablierten Solarmärkte integriert werden können. Industrie und Investoren warten auf eine solidere Demonstration der technologischen Reife.

Diese Herausforderungen sind der Grund, warum sowohl die Wissenschaft als auch die Industrie bei der Kommerzialisierung von Perowskit-Solarzellen vorsichtig vorgehen. Der Fortschritt muss schrittweise erfolgen; jede Herausforderung muss sorgfältig gemeistert werden, um Vertrauen in die Technologie aufzubauen.

Mögliche Lösungen und Fortschritte

Es gibt keine Patentlösung für die Probleme bei der Vergrößerung von Perowskit-Solarzellen. Die Forscher arbeiten an verschiedenen Verbesserungen, um die Herausforderungen zu bewältigen.

Verschiedene Techniken, wie Verkapselung und Zusatzstoffe, wurden eingesetzt, um die Perowskitschicht feuchtigkeits- und temperaturbeständig zu machen. Die Schutzfolie würde beispielsweise die aktiven Schichten vor Umweltbelastungen schützen.

- Ungiftige Alternativen zu Perowskiten auf Bleibasis: Die Ersetzung von Blei durch weniger toxische Elemente ist in Arbeit. Die Kandidaten, die sich in einem frühen Stadium befinden, verwenden Zinn oder andere Metalle. Im Allgemeinen müssen diese Alternativen der zweiten Generation einen hohen Wirkungsgrad beibehalten und gleichzeitig eine erhebliche Verringerung der Umweltrisiken gewährleisten.

- Fortschritte bei Drucktechnologien und skalierbaren Fertigungstechniken: Neue Druckmethoden und Rolle-zu-Rolle-Verfahren werden derzeit verfeinert. Mehrere Pilotlinien haben gezeigt, dass es möglich ist, großflächige Bauelemente mit gleichbleibender Leistung zu drucken.

- Hybride Perowskite und Tandem-Solarzellen: Die Verwendung von Perowskiten in Verbindung mit anderen Materialien im Tandem hat das Potenzial, sowohl Stabilität als auch höhere Leistung zu bieten. Einige Prototypen zeigen bereits, dass dies mit einem schichtweisen Ansatz erreicht werden kann, bei dem die Eigenschaften verschiedener Materialien kombiniert werden.

Die Forschung schreitet stetig voran, wobei jede neue Studie die Perowskit-Solarzellen einen Schritt näher an die Erfüllung der technischen und kommerziellen Kriterien heranbringt. Die Arbeit ist kenntnisreich und sorgfältig und schafft ein Gleichgewicht zwischen Innovation und Überlegungen zu Sicherheit und Kosten. Weitere Informationen über Perowskit-Solarzellen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der Hauptvorteil von Perowskit-Solarzellen?

Sie haben den Vorteil, dass sie einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Kosten haben und daher in verschiedenen Bereichen Anwendung finden.

F: Was ist die größte Herausforderung bei der Ausweitung ihrer Produktion?

Die Sicherstellung der langfristigen Stabilität und Gleichmäßigkeit bei der großflächigen Herstellung ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen.

F: Gibt es Möglichkeiten, die Bleitoxizität in Perowskit-Zellen zu verringern?

F: Ja, es wird an ungiftigen Alternativen und Stabilisierungstechniken geforscht, um die Umweltrisiken in den Griff zu bekommen.

Referenz:

[1] Mahapatra, Apurba & Prochowicz, Daniel & Tavakoli, Mohammad & Trivedi, Suverna & Kumar, Pawan & Yadav, Pankaj. (2019). A Review on the Aspects of Additive Engineering in Perovskite Solar Cells. Journal of Materials Chemistry A. 8. 10.1039/C9TA07657C.