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Kontrollierte Kristalle machen ein neues Solarmaterial praktisch
Ein neuer Weg, das Wachstum von kristallinen Materialien namens Perowskite zu kontrollieren, könnte zu kommerziellen Solarzellen führen, die einen optimalen Punkt für hohe Leistung und niedrige Kosten erreichen. Obwohl einzelne Perowskit-Zellen im Labor vielversprechende Ergebnisse erzielt haben, war bisher nicht klar, wie sie in einheitlichen Chargen hergestellt werden könnten.
Bestimmte Perowskite können die Energie des Sonnenlichts sehr effizient ernten, da sie sowohl sichtbares als auch infrarotes Licht stark absorbieren. Und im Gegensatz zu Siliziumfilmen, die bei hohen Temperaturen hergestellt werden, können Perowskitfilme aus Lösungen bei viel niedrigeren Temperaturen hergestellt werden. Es sollte möglich sein, Perowskit-Solarzellen mit kostengünstigen und energiesparenden Verfahren wie dem Drucken herzustellen.
Die ersten Perowskit-Zellen wurden 2009 hergestellt, aber die am besten schon konvertieren können 17,9 Prozent der Energie des Sonnenlichts in Strom umgewandelt. Das beginne, mit kommerziellen Dünnschichtzellen wie Cadmium-Tellurid und Silizium konkurrenzfähig zu sein, sagt er Timotheus Kelly , Chemiker an der University of Saskatchewan in Saskatoon, Kanada.
Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, qualitativ hochwertige Perowskit-Solarzellen durchgängig herzustellen. Bei den bisher hergestellten Chargen gibt es große Unterschiede, wie effektiv einzelne Zellen Licht in Strom umwandeln können. Wenn Sie 10 verschiedene Perowskit-Zellen herstellen, erhalten Sie 10 verschiedene Wirkungsgrade, sagt er Prashant Kamat , Chemiker an der University of Notre Dame in Indiana. Das nervt.
Das Problem wird durch Variationen in der Größe der Kristalle in verschiedenen Zellen verursacht. Für Elektronen in einer Solarzelle sind die Grenzen zwischen Kristallen wie Wände, sodass größere Kristalle den Stromfluss weniger behindern. Neue Forschungsergebnisse, die heute in der Zeitschrift veröffentlicht wurden Natur Nanotechnologie könnte eine Möglichkeit bieten, dieses Problem zu lösen, indem gezeigt wird, wie das Wachstum von Perowskit-Kristallen kontrolliert werden kann.
Der für Solarzellen entwickelte Perowskit hat eine Zutatenliste, die einen Kohlenwasserstoff, Ammoniak, Blei und Jod enthält. Es gibt viele Perowskite – der Name bezieht sich auf die Kristallstruktur dieser Materialien – aber dieses spezielle ist am vielversprechendsten für den Einsatz in Solarzellen. Die Kristalle werden in einem zweistufigen Prozess hergestellt, der damit beginnt, eine Oberfläche mit Bleijodidlösung zu beschichten und sie trocknen zu lassen. Dann wird die Oberfläche mit einer Lösung von Methylammoniumiodid beschichtet. Wenn diese austrocknet, kommen Verbindungen aus den beiden Schichten zusammen, um Perowskit-Kristalle zu bilden.
Michael Grätzel , Chemiker an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz, und Nam-Gyu-Park , Chemiker an der Sungkyunkwan-Universität in Korea, haben nun ein Rezept ausgearbeitet, um diesen Prozess in den Griff zu bekommen. Sie fanden heraus, dass sie durch sorgfältige Kontrolle der Konzentrationen der Ausgangslösungen und anderer Verarbeitungsbedingungen beständig Perowskit-Filme mit den größeren Kristallen herstellen konnten, die für eine effiziente Solarzelle benötigt werden.
Die schweizerischen und koreanischen Gruppen nutzten diese Methoden, um Perowskit-Solarzellen mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 16,4 Prozent und sehr geringen Effizienzunterschieden zwischen verschiedenen Zellen herzustellen.
Park sagt, dass es jetzt, da es möglich ist, qualitativ hochwertigen Perowskit zuverlässig herzustellen, an der Zeit ist, sich mit anderen Problemen mit dem Material zu befassen. Einer davon ist, dass Feuchtigkeit dazu führt, dass die Materialien zerfallen und Methylammonium austritt. Park sagt, dass die Forscher entweder einen Weg finden müssen, Perowskit-Solarzellen gegen Feuchtigkeit abzudichten, oder neue Versionen der Materialien finden müssen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Materialien aus Blei hergestellt werden, das giftig ist.
Nachdem wir von diesen Materialien gelernt haben, sollten wir zu anderen wechseln, da Blei nicht umweltfreundlich ist und dieses Material nicht stabil ist, sagt er Mercouri Kanatzidis , Chemiker an der Northwestern University in Illinois. Er und nordwestlicher Materialwissenschaftler Robert Chang haben einen bleifreien Perowskit entwickelt, der Zinn ersetzt. Sie wandelt Licht derzeit nur mit einem Wirkungsgrad von 6 Prozent in elektrische Energie um. Aber beide sind optimistisch und weisen darauf hin, wie sich die bleibasierten Materialien schnell von etwa 3 Prozent im Jahr 2009 auf etwa 18 Prozent heute verbessert haben.
Inzwischen glaubt Grätzel, dass die bestehenden Materialien ihre Leistungsgrenzen noch nicht erreicht haben. Ich denke, 20 Prozent Effizienz sollten kurzfristig möglich sein, sagt er.