Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben Preußischblau-Nanopartikel zur Stabilisierung von Perowskitfilmen eingesetzt und damit einen Wirkungsgrad der Zelle von 26.9 Prozent sowie einen zertifizierten Wirkungsgrad von 22.9 Prozent auf einem 756 Quadratzentimeter großen Teilmodul erreicht.
Ein Team der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat den Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen auf 26.9 Prozent gesteigert. Dies gelang durch die Zugabe von Preußischblau-Nanopartikeln zur lichtabsorbierenden Schicht. Die Forscher veröffentlichten die Ergebnisse am 24. September in der Fachzeitschrift „Science“. Ein unabhängiger Test bestätigte einen Wirkungsgrad von 26.2 Prozent.
Unterdessen erreichte ein wesentlich größeres Teilmodul einen zertifizierten Wirkungsgrad von 22.9 Prozent. Dieses Ergebnis ist für die Industrie aussagekräftiger.
Preußischblau ist eine Eisenverbindung, die sichtbares Licht stark absorbiert. Wissenschaftler haben sie bereits als Lichtabsorber in farbstoffsensibilisierten Solarzellen eingesetzt, allerdings mit mäßigem Erfolg. Diesmal nutzte das Team sie, um die Instabilität zu beheben, die Perowskite lange Zeit behindert hat.
Wie die Nanopartikel funktionieren
Die Studie konzentriert sich auf Formamidiniumbleiiodid, ein viel untersuchtes Perowskitmaterial. Dessen Schichten neigen zur Defektbildung, und Ionen driften unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch diese Defekte. Beide Probleme beeinträchtigen die Leistung und verkürzen die Lebensdauer eines Bauelements.
Bei der Filmbildung dienen die Nanopartikel als Matrizen, wodurch die Kristalle gleichmäßiger wachsen. Sie begünstigen zudem die α-Phase, die Kristallstruktur, die Licht effizient absorbiert und Strom effizient erzeugt. Darüber hinaus wandeln sie metallisches Blei und neutrale Jod-Defekte wieder in ihre ionischen Formen um.
Ihr starres Gerüst fängt zudem mobile Ionen, insbesondere Cäsiumionen, ein. Dadurch erhöht sich die Energie, die Ionen für ihre Migration benötigen, von 0.89 auf 1.25 Elektronenvolt. Dies erschwert die Ionenbewegung und schützt die Schichten vor elektrischen, thermischen und lichtinduzierten Schäden.
„Der wichtigste Fortschritt unserer Studie ist die Verwendung eines strukturell kompatiblen Preußischblau-Gerüsts“, sagte Chong Liu, der korrespondierende Autor der Studie. Liu erklärte, das Gerüst bleibe „sowohl während der Filmbildung als auch im Gerätebetrieb funktionsfähig“.
Vorteile beider Zelldesigns
Das Team testete den Ansatz in herkömmlichen und invertierten Zelldesigns. Bei herkömmlichen Zellen verbesserte sich der Wirkungsgrad von 24.2 auf 26.1 Prozent. Bei invertierten Zellen stieg er von 26.0 auf 26.9 Prozent.
Die Verbesserungen zeigten sich auch bei größeren Geräten. Herkömmliche Minimodule mit Abmessungen von 6 cm × 6 cm erreichten einen Wirkungsgrad von 23.4 Prozent, verglichen mit 20.1 Prozent bei unbehandelten Referenzgeräten. Das 30 cm × 30 cm große, invertierte Submodul mit einer Aperturfläche von 756 Quadratzentimetern erzielte einen stabilisierten Wirkungsgrad von 22.8 Prozent.
Die Größe spielt hier eine wichtige Rolle. Perowskit-Rekorde stammen üblicherweise von winzigen Laborzellen, und die Effizienz nimmt tendenziell mit zunehmender Größe der Bauelemente ab. Daher hat ein zertifiziertes Ergebnis für ein Submodul für Hersteller mehr Aussagekraft. Es zeigt, dass die Effizienzgewinne auch dann erhalten bleiben, wenn der Film eine deutlich größere Fläche bedeckt.
Stabilität unter Hitze und Feuchtigkeit
Die Langlebigkeit bleibt die größte Herausforderung für Perowskit-Solarzellen. Das Team führte Tests unter feuchter Hitze bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit durch. Nach 2,500 Stunden behielten herkömmliche Minimodule über 90 % ihrer anfänglichen Effizienz. Auch nach 2,200 Stunden Dauerbetrieb bei 65 °C lagen noch über 80 % ihrer Effizienz bei.
Beschleunigte Alterungstests an den invertierten Submodulen ergaben eine T80-Lebensdauer von etwa sieben Jahren bei 35 °C unter konstantem Licht. T80 bezeichnet die Zeit, in der ein Bauelement ein Fünftel seiner anfänglichen Effizienz verliert. Die Forscher weisen jedoch darauf hin, dass dieser Wert aus beschleunigten Tests extrapoliert wurde. Ein Nachweis im Langzeitbetrieb steht noch aus.
Im Freien lief ein behandeltes Submodul fünf Monate lang in Zhuhai, China. Während dieses Zeitraums zeigte es im Vergleich zu einem kommerziellen Silizium-Referenzgerät keinen erkennbaren Leistungsabfall.
Ein Schritt hin zu kommerziellen Modulen
Perowskite stehen neben einer Reihe neuerer Solarmaterialien in der Entwicklung, wie beispielsweise den am UCL vorgestellten halbtransparenten Solarfenstern . Um jedoch kommerziell konkurrenzfähig zu sein, muss eine Perowskit-Solarzelle jahrzehntelang im Feldeinsatz funktionieren. Die prognostizierten sieben Jahre bei 35 °C reichen dafür noch weit nicht aus.
Dennoch verfolgt die Arbeit zwei Ziele gleichzeitig. Sie steigert die Effizienz und verlangsamt den Leistungsabfall, der die kommerzielle Nutzung von Perowskit-Modulen bisher behindert hat. Das Team sieht die Ergebnisse zudem als Beleg für das Potenzial einer breiteren Materialklasse.
„Unsere Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von Gerüstmaterialien, die Effizienz von Solarzellen zu verbessern, eine großtechnische Produktion zu ermöglichen und die langfristige Zuverlässigkeit von Perowskit-Photovoltaikzellen zu erhöhen“, sagte Liu.
