Höchster Wirkungsgrad bei flexiblen Solarzellen durch neue Fertigungstechnik erreicht
Flexible Solarzellen haben viele potenzielle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und in der flexiblen Elektronik, aber die niedrige Energieumwandlungseffizienz hat ihre praktische Nutzung eingeschränkt. Ein neues Herstellungsverfahren hat den Wirkungsgrad flexibler Solarzellen aus Perowskit, einer Klasse von Verbindungen mit einer spezifischen Kristallstruktur, die die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom erleichtert, erhöht.
SnSO4 wird als Zinnvorläufer für das Zinnoxid (SnO2) verwendet, das als Elektronentransportschicht von FPSCs abgeschieden wird. Eine neue CBD-Herstellungsmethode ermöglicht eine bessere Kontrolle des SnO2-Wachstums, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Solarzelle verbessert und die Praxistauglichkeit der flexiblen Solarzellentechnologie erhöht wird.
iEnergy, Tsinghua University Press
Derzeitige flexible Perowskit-Solarzellen (FPSC) haben einen geringeren Wirkungsgrad als starre Perowskit-Solarzellen, was auf die weichen und inhomogenen Eigenschaften des flexiblen Basismaterials aus Polyethylenterephthalat (PET) zurückzuführen ist, auf dem die Perowskit-Filme der FPSCs aufgebaut sind. FPSCs haben auch eine geringere Haltbarkeit als starre Solarzellen, die Glas als Trägermaterial verwenden. Durch Poren in flexiblen Solarzellensubstraten können Wasser und Sauerstoff in die Perowskit-Materialien eindringen, wodurch sie sich zersetzen.
Um diese Probleme mit der derzeitigen FPSC-Technologie zu lösen, hat ein Team von Materialwissenschaftlern des State Key Laboratory of Power System Operation and Control an der Tsinghua-Universität und des Center for Excellence in Nanoscience am National Center for Nanoscience and Technology in Peking, China, eine neue Herstellungstechnik entwickelt, die den Wirkungsgrad von FPSCs erhöht und damit den Weg für einen Einsatz der Technologie in viel größerem Maßstab ebnet
"Die Steigerung des Wirkungsgrads von FPSCs ist aus mehreren Gründen von entscheidender Bedeutung: Ein höherer Wirkungsgrad ... macht FPSCs wettbewerbsfähiger gegenüber anderen Solarzellentechnologien, senkt die Kosten pro Watt erzeugter Elektrizität ... und die Ressourcen, die zur Erzeugung der gleichen Menge an elektrischer Energie benötigt werden, und vergrößert den Bereich der Anwendungen, in denen FPSCs praktisch eingesetzt werden können, einschließlich der Luft- und Raumfahrt und der flexiblen Elektronik, wo Platz und Gewicht eine große Rolle spielen", sagte Chenyi Yi, außerordentlicher Professor im State Key Laboratory of Power System Operation and Control an der Tsinghua Universität und leitender Autor der Arbeit.
Konkret entwickelte das Team eine neue Methode der chemischen Badabscheidung (CBD) zur Abscheidung von Zinnoxid (SnO2) auf einem flexiblen Substrat, ohne dass eine starke Säure erforderlich ist, auf die viele flexible Substrate empfindlich reagieren. Die neue Technik ermöglichte den Forschern eine bessere Kontrolle über das Zinnoxidwachstum auf dem flexiblen Substrat. Zinnoxid dient als Elektronentransportschicht in der FPSC, die für die Effizienz der Energieumwandlung entscheidend ist.
"Diese CBD-Methode unterscheidet sich von früheren Forschungsarbeiten durch die Verwendung von SnSO4-Zinnsulfat anstelle von SnCl2-Zinnchlorid als Zinnvorläufer für die Abscheidung von SnO2, wodurch die neue Methode mit säureempfindlichen flexiblen Substraten kompatibel ist", so Yi.
Wichtig ist, dass die neue Herstellungsmethode auch einige der Bedenken hinsichtlich der Haltbarkeit von FPSCs ausräumt. "Das restliche SO42-Sulfat, das nach der SnSO4-basierten CBD übrig bleibt, kommt der Stabilität der PSCs aufgrund der starken Koordination zwischen dem Pb2+ Blei aus dem Perowskit und dem SO42- aus dem SnO2 zusätzlich zugute. Daher können wir SnO2 von höherer Qualität herstellen, um effizientere und stabilere FPSCs zu erhalten", so Yi.
Das Team hat mit 25,09 % einen neuen Benchmark für den höchsten Wirkungsgrad von FPSCs erreicht und wurde mit 24,90 % zertifiziert. Die Haltbarkeit der flexiblen Solarzellen auf SnSO4-Basis wurde auch dadurch nachgewiesen, dass die Zellen 90 % ihres Wirkungsgrads beibehielten, nachdem sie 10.000 Mal gebogen worden waren. Flexible Solarzellen auf SnSO4-Basis zeigten auch eine verbesserte Hochtemperaturstabilität im Vergleich zu flexiblen Solarzellen auf SnCl2-Basis.
Die vom Forschungsteam entwickelte neue Herstellungsmethode führte zu reproduzierbaren Ergebnissen und ermöglicht es den Herstellern, das chemische Bad wiederzuverwenden, was die praktische Anwendbarkeit der skalierbaren FPSC-Produktion erhöht. "Das ultimative Ziel ist es, diese hocheffizienten FPSCs vom Labormaßstab in die industrielle Produktion zu überführen, um eine breite kommerzielle Anwendung dieser Technologie in verschiedenen Bereichen zu ermöglichen, von tragbaren Technologien, tragbarer Elektronik und Energiequellen für die Luft- und Raumfahrt bis hin zu groß angelegten Lösungen für erneuerbare Energien", so Yi.
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