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Fortschritte bei der Nutzung von Solarenergie zur Stromerzeugung

INGENIEURWISSENSCHAFTENFortschritte bei der Nutzung von Solarenergie zur Stromerzeugung

Die Studie beschreibt eine neuartige Tandem-Solarzelle aus Vollperowskit, die das Potenzial hat, die Sonnenenergie kostengünstig und effizienter zu nutzen, um elektrischen Strom zu erzeugen

Unsere Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Quellen von neue Energie fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl, Gas haben enorme negative Auswirkungen auf Mensch und Umwelt. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe trägt zum Treibhauseffekt bei und verursacht eine globale Erwärmung, zerstört Lebensräume, verursacht Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzung und beeinträchtigt die öffentliche Gesundheit. Es besteht dringender Bedarf, nachhaltige Technologien zu entwickeln, die dazu beitragen können, Werkzeuge die Welt mit sauberer Energie. Solarenergie Technologie ist eine solche Methode, die das Licht der Sonne – die am häufigsten vorkommende erneuerbare Energiequelle – nutzen und in elektrische Energie oder Strom umwandeln kann. Die vorteilhaften Faktoren der Solarenergie zum Wohle von Mensch und Umwelt haben eine Schlüsselrolle bei der Förderung der Solarenergienutzung gespielt.

Silizium ist das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung Solar- Zellen in Sonnenkollektoren die heute auf dem Markt erhältlich sind. Der photovoltaische Prozess von Solarzellen kann Sonnenlicht ohne zusätzlichen Einsatz von Brennstoff in Strom umwandeln. Design und Effizienz von Silizium-Solarmodulen haben sich im Laufe der Jahrzehnte aufgrund von Fortschritten in Herstellung und Technologie erheblich verbessert. Der photovoltaische Wirkungsgrad einer Solarzelle ist definiert als der Anteil der Energie, der in Form von Sonnenlicht vorliegt und in Strom umgewandelt werden kann. Photovoltaik-Effizienz und Gesamtkosten sind heute die beiden wichtigsten limitierenden Faktoren bei Solarmodulen.

Neben Silizium-Solarzellen stehen auch Tandem-Solarzellen zur Verfügung, bei denen spezielle Zellen zum Einsatz kommen, die für jeden Abschnitt des Sonnenspektrums optimiert sind und so den Gesamtwirkungsgrad erhöhen. Ein Material namens Perowskite gilt als besser als Silizium bei der Absorption hochenergetischer blauer Photonen aus dem Sonnenlicht, dh einem anderen Teil des Sonnenspektrums. Perowskite sind polykristallines Material (in der Regel Methylammonium-Bleitrihalogenid (CH3NH3PbX3, wobei X für Jod-, Brom- oder Chloratom steht). Perowskite lassen sich leicht zu sonnenlichtabsorbierenden Schichten verarbeiten. Frühere Studien haben Silizium und Perowskite zu Solarzellen kombiniert, dh Siliziumzellen auf dem top, das zusammen mit Perowskit-Zellen gelbe, rote und nahe Infrarot-Photonen absorbieren kann und so die Stromproduktion fast verdoppelt.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Wissenschaft Am 3. Mai haben Forscher erstmals alle Perowskite-Tandemsolarzellen entwickelt, die einen Wirkungsgrad von bis zu 25 Prozent erreichen. Dieses Material wird als gemischter Blei-Zinn-Perowskitfilm mit niedriger Bandlücke ((FASnI3)0.6 MAPbI3)0.4 bezeichnet; FA für Formamidinium und MA für Methylammonium). Zinn hat den Nachteil, dass es mit Sauerstoff aus der Luft reagiert und Defekte im Kristallgitter erzeugt, die die Bewegung der elektrischen Ladung in der Solarzelle unterbrechen können, wodurch der Wirkungsgrad der Zelle eingeschränkt wird. Forscher fanden einen Weg, um zu verhindern, dass Zinn in Perowskit mit Sauerstoff reagiert. Sie verwendeten eine chemische Verbindung namens Guanidiniumthiocyanat, um die strukturellen und optoelektronischen Eigenschaften von gemischten Blei-Zinn-Perowskitfilmen mit geringer Bandlücke signifikant zu verbessern. Die Verbindung Guanidiniumthiocyanat umhüllt Perowskit-Kristallite in der sonnenabsorbierenden Schicht und verhindert so, dass Sauerstoff in das Innere eindringt, um mit Zinn zu reagieren. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Solarzelle auf Anhieb von 18 auf 20 Prozent. Durch die Kombination dieses neuen Materials mit einer herkömmlich verwendeten hochabsorbierenden oberen Perowskitschicht konnte der Wirkungsgrad weiter auf 25 Prozent gesteigert werden.

Die aktuelle Studie beschreibt erstmals das Design von Tandemsolarzellen unter Verwendung aller Perowskit-Dünnschichten und diese Technologie könnte eines Tages Silizium in Solarzellen ersetzen. Das neue Material ist von hoher Qualität, kostengünstig und einfacher herzustellen, während die Kosten im Vergleich zu Silizium- und Silizium-Perowskit-Tandemzellen niedrig sind. Perowskite sind im Vergleich zu Silizium künstlich hergestelltes Material, und auf Perowskiten basierende Solarmodule sind flexibel, leicht und halbtransparent. Obwohl das aktuelle Material einige Zeit brauchen wird, um die Effizienz der Silizium-Perowskit-Technologie zu übertreffen. Dennoch haben polykristalline Schichten auf Perowskitbasis das Potenzial, Tandemsolarzellen zu entwickeln, die einen Wirkungsgrad von bis zu 30 Prozent erreichen können, während andere Faktoren ungehindert bleiben. Weitere Studien sind erforderlich, um das Material robuster, stabiler und auch recycelbar zu machen, um die Umweltbelastung zu reduzieren. Der Solarenergiesektor ist einer der am schnellsten wachsenden und das ultimative Ziel ist es, eine vielversprechende Alternative für saubere Energie zu entdecken.

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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

Tong J. et al. 2019 Trägerlebensdauern von >1 μs in Sn-Pb-Perowskiten ermöglichen effiziente Vollperowskit-Tandemsolarzellen. Wissenschaft, 364 (6439). https://doi.org/10.1126/science.aav7911

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