Perowskit-Sonnenkollektoren

Eine Substanz, die Wissenschaftlern seit mehr als hundert Jahren bekannt ist. Erst heute, zu Beginn des 21. Jahrhunderts, erwies sie sich als vielversprechendes Material für die Herstellung billiger und effektiver Solarzellen. Perowskit oder Kalziumtitanat, das der deutsche Geologe Gustav Rosa bereits 1839 in Form eines Minerals im Ural gefunden und nach Graf Lev Alekseevich Perovsky, einem glorreichen Staatsmann und Mineraliensammler, dem Helden des Vaterländischen Krieges von 1812, benannt hatte, erwies sich als der am besten geeignete Anwärter die Rolle der Alternative zu Silizium bei der Herstellung von Solarzellen.

Als Substanz wurde Calciumtitanat bis vor kurzem häufig nur als Dielektrikum für mehrschichtige Keramikkondensatoren verwendet. Und jetzt versuchen sie, damit hocheffiziente Solarmodule zu bauen, da sich herausstellte, dass dieses Material Licht perfekt absorbiert.

Gewöhnlich, lange traditionell Silizium-Solarmodule Bei einer Dicke von 180 Mikrometern absorbieren sie so viel Licht, wie Perowskit bei einer Dicke von nur 1 Mikrometer absorbiert. Perowskit ist wie Silizium ein Halbleiter und überträgt elektrische Ladung unter dem Einfluss von Licht auf die gleiche Weise, aber das in Perowskit in Elektrizität umgewandelte Lichtspektrum ist breiter als das von Silizium.

Die Struktur der kristallinen Substanz von Calciumtitanat ist identisch mit der Struktur des Perowskitminerals, daher ist ihr Name der gleiche. Und genau diese Substanz gehört heute zu den führenden Stellen im Ranking der Optimierungspfade für Solarenergie.

Die Sache ist, dass Solarmodule auf Siliziumbasis heute durchschnittlich 75 Cent pro 1 kW kosten und Solarmodule auf Perowskitbasis ihre Kosten auf 10 bis 15 Cent pro 1 kW senken, dh Perowskit-Solartechnologie in 5-7 mal billiger als Silizium sowohl bei der Herstellung von Batterien als auch bei deren Betrieb, und die erzeugte Strommenge ist gleich.

Und dies trotz der Tatsache, dass Analysten der Energiewirtschaft behaupten, dass Solarenergie bereits zu einem Preis von 50 Cent pro 1 kW mit fossilen Brennstoffen konkurrenzfähig wird. Das heißt, der Übergang zu Perowskit auf globaler Ebene wird zeitweise die Kosten der Stromerzeugung senken, während der Produktionsprozess der Paneele selbst sehr einfach sein wird.

In vielen Ländern werden Studien zur Bewertung und Verbesserung der Effizienz von Solarzellen auf Perowskitbasis durchgeführt: in Australien, Martin Green, in der Schweiz, Michael Gretzel, in den USA, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day und Korea, Sok Sang Il. Forscher erklären einstimmig die niedrigen Kosten und die hohe Effizienz vielversprechender Technologien.

Michael Gretzel argumentiert, dass der von ihm in 15% erreichte Wirkungsgrad leicht auf 25% gesteigert werden kann und kostengünstige Solarzellen aus den derzeit verfügbaren nicht 15% erreichen. Zum ersten Mal, im Jahr 2009, als sie gerade über die Möglichkeiten der Verwendung von Perowskit für Solarenergie sprachen, wurde ein Wirkungsgrad von 3,5% erzielt, und die Zellen waren kurzlebig, da der flüssige Elektrolyt Perowskit löste und sobald die Wissenschaftler Zeit zum Messen hatten, funktionierte die Batterie nicht mehr.

Nach drei Jahren wurde der flüssige Elektrolyt jedoch durch einen festen ersetzt, und die Zellen wurden stabiler, und die Effizienz verdoppelte sich zuerst und verdoppelte sich dann wieder. Mehrere elektrisch leitende Substratschichten, von denen eine mit einem Pigment beschichtet war, lösten das Problem und eröffneten die Aussicht. Schritte zur Verbesserung der Effizienz hören bis heute nicht auf. Wissenschaftler verwenden unter anderem Standardoptimierungsmethoden, mit denen Siliziumvorläufer verbessert werden.

Michael Gretzel ist sicher, dass ein Wirkungsgrad von 25% zu einer Revolution in der Solarenergie führen wird.Ein Professor aus Australien, Martin Green, einer der Pioniere in der Forschung, behauptet, dass silikonfreie Batterien so einfach herzustellen und effizient zu betreiben sind, dass definitiv die Gewissheit besteht, dass die Zukunft der Solarmodule auf Perowskit vielversprechend ist, da vorläufige Schätzungen bereits eine enorme Preissenkung vorhersagen - bei 7 mal.

Eine Gruppe von Forschern aus Korea, angeführt von Sok Sang Il, entwickelte ihre eigene Formel durch Mischen von Blei-Ammoniumbromid mit Blei-Formamidin-Iodid. Die Wissenschaftler erreichten eine solche Perowskit-Struktur, dass sie einen Rekordwirkungsgrad von 17,9% festlegten. Durch die Verwendung der Mischung können Solarzellen gedruckt und ihre Kosten weiter gesenkt werden. Das Problem bleibt bestehen - das Material löst sich in Wasser auf, außerdem hat die Größe der Zellen in den Tests 10 mm² nicht überschritten, sodass die Forschung fortgesetzt wird.

Der Prozess der Herstellung von Perowskit-Solarzellen erscheint den Forschern recht einfach. Die Flüssigkeit wird einfach auf die Oberfläche gesprüht oder in Form von Dampf aufgetragen, was technologisch sehr einfach zu realisieren ist. Auf Metallfolie oder Glas werden mehrere Materialschichten aufgebracht, von denen eine Perowskit ist.

Hier werden andere Materialien benötigt, um die Bewegung von Elektronen innerhalb des Elements zu erleichtern. Der Herstellungsprozess ist nahezu ideal. Der Physiker der Universität Oxford, Henry Saint, der in den USA an der Entwicklung von Perowskit-Zellen arbeitet, ist zuversichtlich, dass Schichten des Solarpanels so einfach wie mit einer normalen Farbe auf einer Oberfläche aufgetragen werden können.

Trotz der sich abzeichnenden Aussichten wurden die Wissenschaftler in zwei Lager aufgeteilt. Die ersteren befürworten die Verbesserung von Siliziumbatterien, die bereits traditionell geworden sind, während die anderen die Schaffung völlig neuer, effizienterer befürworten. Martin Green ist daher der Ansicht, dass Perowskit als Ergänzung zu Siliziumbatterien verwendet werden kann, indem Silizium mit Perowskit kombiniert wird, wodurch die Kosten für ein Watt Strom gesenkt werden, das ohne signifikante Verluste für die Siliziumindustrie erzeugt wird. Im Gegenteil, Michael Gretzel ist überzeugt, dass neue Entwicklungen wichtig sind und sich die Kosten für die Steigerung der Effizienz neuer Fotozellen um ein Vielfaches auszahlen werden.

Viele Unternehmen arbeiten bereits an der kommerziellen Umsetzung des Produkts, denn trotz der Tatsache, dass die Möglichkeiten von Perowskit gerade erst erkannt werden, haben führende Experten auf dem Gebiet der Solarenergie ihre Aufmerksamkeit bereits auf die Zukunft gerichtet. Australische und türkische Unternehmen haben sich gemeinsam aktiv mit der Vermarktung von Perowskit-Solarmodulen befasst und werden laut Prognosen bis 2018 auf dem Weltmarkt präsentiert.

Trotz des Optimismus einiger Unternehmen zeigt die Erfahrung, dass es normalerweise zehn Jahre dauert, bis eine neue Technologie vom Labor auf den Markt kommt, und während dieser Zeit können Siliziumbatterien Perowskit überholen. Gretzel verkauft übrigens eine Lizenz für neue Technologien an Unternehmen, die den traditionellen Weg des Siliziums verfolgen wollen.

Der Wettbewerb auf dem Solarmarkt ist ebenfalls hoch und jeder neue Spieler ist damit konfrontiert. Die Kosten für Siliziumplatten werden reduziert, und laut einigen Analysten können sie auf 25 Cent pro 1 kW sinken, was die Vorteile der Perowskit-Technologie vollständig beeinträchtigt.

Das Vorhandensein einer kleinen Menge Blei im Pigment, das toxisch ist, bleibt ein Problem. Es stehen experimentelle Studien an, die zeigen, wie giftig Perowskit ist. Es lohnt sich, auf die Entsorgung gebrauchter Batterien zu achten, wie dies bei Starterbatterien der Fall ist. Im Prinzip kann jedoch Zinn oder ähnliches anstelle von Blei verwendet werden.

In der Zwischenzeit begannen Forscher aus Ohio, angeführt von Leaming Dai, Elektroautos mit Perowskit-Sonnenkollektoren zu elektrifizieren. Sie entwickelten die vorteilhafteste Kombination von Sonnenkollektoren mit Batterien für Elektroautos als je zuvor.

Durch den Anschluss von vier Perowskitbatterien an eine Lithiumbatterie erreichten die Wissenschaftler in der bislang effizientesten Konfiguration einen Wirkungsgrad von 7,8%, der die bisherigen Lösungen für die Kombination von Solarzellen mit Superkondensatoren und Batterien übertraf.

Mehrschichtplatten haben die Dichte und Stabilität der von der Sonne empfangenen Energie erhöht. Tests haben gezeigt, dass drei Perowskitschichten, falls gewünscht, in einen Film umgewandelt werden. Mit einer Einzelzellenfläche von nicht mehr als 10 mm² erreichten die Forscher einen Wirkungsgrad von 12,65% eines Münzkonverters. Unter Berücksichtigung der Umwandlung und Speicherung von Energie betrug der Wirkungsgrad im zyklischen Modus 7,8%.

Nach Angaben der Entwickler können solche Systeme künftig nicht nur Elektroautos aufladen, sondern auch in Form einer flexiblen Folie auf Karosserien installiert werden. Die Technologie scheint ideal für Elektrofahrzeuge zu sein.

Bemerkenswert ist die Fähigkeit von Perowskit zur Wiederemission. Ein Wissenschaftler an der Universität von Cambridge, Felix Deschler, entdeckte, dass Perowskit eine einzigartige Eigenschaft besitzt. Wenn Licht in das Material eintritt, wird die Photonenenergie nicht nur in Elektrizität umgewandelt, sondern ein Teil der Ladung wird wieder in Photonen umgewandelt.

Wenn das Panel diese Photonen wiederverwenden kann, wird die gesammelte Energie noch größer. Deshlers Gruppe führte ein Experiment durch, bei dem der Laserstrahl auf einen 0,5 Mikrometer dicken Perowskitabschnitt konzentriert wurde und Licht an anderer Stelle in der Probe erneut emittiert wurde. Silizium zum Beispiel hat nicht die Fähigkeit, Energie in sich selbst zu übertragen und wieder abzugeben.

Die Aussichten für Perowskit sind daher enorm, und wer weiß, es kann ungefähr zu der Zeit sein, in der jedes Haus und jedes Auto mit Perowskit-Batterien ausgestattet wird, da es wirtschaftlich unrentabel und nicht ratsam wird, die Umwelt mit Verbrennungsprodukten für fossile Brennstoffe zu verschmutzen.