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Neue Perowskit-Solarzelle Ein Weiterer Nagel Im Erdgassarg
Neue Perowskit-Solarzelle Ein Weiterer Nagel Im Erdgassarg
Video: Neue Perowskit-Solarzelle Ein Weiterer Nagel Im Erdgassarg
Video: Solarzellen der neuen Generation begeistern Forschern - futuris 2023, Februar
Anonim

Noch vor wenigen Jahren war kostengünstiges Erdgas die treibende Kraft, die Kohle aus dem Stromerzeugungsmarkt verdrängte, und jetzt schleicht sich die kostengünstige Solarenergie an das kostengünstige Erdgas heran. Bisher ist die Konkurrenz ein Rinnsal, keine Flut. Allerdings haben die Interessenvertreter von Erdgas nicht mehr viel Luft zum Atmen, wie die neueste Forschung zu Perowskit-Solarzellen zeigt.

Perowskit-Solarzellenforschung
Perowskit-Solarzellenforschung

Diese neue Perowskit-Solarzellenforschung sollte die Interessenvertreter von Erdgas in die Berge treiben (Foto ausgeschnitten, über UC-San Diego Jacobs School of Engineering).

Warum eine Perowskit-Solarzelle?

Die Kosten für Solarstrom sind bereits stark gesunken, hauptsächlich aufgrund von Verbesserungen in der Siliziumsolarzellentechnologie und -herstellung sowie Verbesserungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette von Siliziumsolarzellen. Aus diesem Grund betrachten Energieakteure in einigen US-Märkten bereits Solarstrom und hybride Wind-Solar-Konfigurationen als wirtschaftlichere Alternativen zu Erdgas.

Um den Übergang schneller voranzutreiben, müssen die Solarkosten noch weiter und schneller sinken. Das heißt, ein Material zu finden, das wirtschaftlicher zu verarbeiten ist als Silizium, und hier kommt die Perowskit-Solarzelle ins Spiel.

Für diejenigen unter Ihnen, die mit dem Thema noch nicht vertraut sind: Perowskit-Solarzellen werden aus im Labor gezüchteten kristallinen Materialien hergestellt, die auf der Struktur des natürlich vorkommenden Minerals Perowskit basieren. Sie sind relativ kostengünstig und einfach herzustellen, und ihre einzigartigen optischen Eigenschaften machen sie ideal für Solaranwendungen.

Perowskite kamen erst vor wenigen Jahren als kostengünstiger Ersatz für Silizium auf den Markt, und die Forschung schreitet rasant voran. Hier in den USA gehört das Energieministerium zu den treibenden Kräften bei der Verbesserung der Perowskit-Technologie.

Nachdem einige der Knicke behoben wurden, konzentrieren sich die Forscher darauf, die Umwandlungseffizienz von Solarzellen zu steigern und gleichzeitig die Herstellungskosten zu senken.

Ein weiterer Durchbruch bei Perowskit-Solarzellen

Einer der noch ausgearbeiteten Perowskit-Knicke ist der Kompromiss zwischen einfacher Herstellung und Solarzelleneffizienz. Bisher konzentrierte sich die Forschung hauptsächlich auf eine polykristalline Struktur, da sie leicht in großen Mengen hergestellt werden kann, dabei jedoch Effizienz und Stabilität verloren gehen.

Einkristalline Perowskite sind effizienter und stabiler, aber bisher hat noch niemand einen Weg gefunden, den Produktionsprozess aus der Kleinserienphase herauszuholen.

Ein Team von Nanotech-Ingenieuren der University of California – San Diego hat sich entschieden, sich der Einkristall-Herausforderung zu stellen. Der Trick bestand darin, eine Fertigungsmethode zu finden, die sich in ein hocheffizientes Fertigungsmodell für hohe Stückzahlen umsetzen ließ.

Wie das Sprichwort sagt, fanden sie es genau dort in ihrem eigenen Hinterhof. Das Forschungsteam von UC-San Diego setzte gängige Herstellungsverfahren ein, die die Halbleiterindustrie seit vielen Jahren verwendet, um Einkristallfilme aus Silizium und anderen Materialien herzustellen, die in allen Bereichen von Mobiltelefonen bis hin zu Satelliten allgegenwärtig sind.

Mit dieser Ausrüstung hergestellte einkristalline Perowskitfilme zeigten „weniger Defekte, höhere Effizienz und verbesserte Stabilität [im Vergleich zu] ihren polykristallinen Gegenstücken“, schwärmte UC-San Diego in einer Pressemitteilung letzte Woche.

Wie haben sie das gemacht?

Da es kein kostenloses Mittagessen gibt, muss es irgendwo einen Haken geben. Oder vielleicht nicht. Lesen Sie die Studie des Teams in der Fachzeitschrift Nature unter dem Titel „Ein Herstellungsprozess für flexible Einkristall-Perowskit-Geräte.”

Ein Teil der schweren Arbeit wurde tatsächlich vor zwei Jahren durchgeführt, als das Forschungsteam von Professor Sheng Xu an der UC-San Diego einen Weg fand, lithografische Standardmethoden auf Perowskitfilme anzuwenden.

Die Kombination aus Lithographie und Perowskiten ist ein ziemlicher Berg, den es zu erklimmen gilt. Einer der großen Knicke im Bereich der Perowskit-Solarzellen ist die Wasserempfindlichkeit, die ein wesentliches Element in der Lithographie ist.

Die Lösung bestand darin, den Perowskitfilm für den ersten Teil des Prozesses mit einer Schutzschicht abzuschirmen und dann mit einem Trockenätzschritt zu beenden.

Die neue Forschung nimmt diesen Prozess und verfeinert ihn mit einem Lithografie-Maskenmuster, das eine präzise Kontrolle über das Wachstum des Films ermöglicht.

„Die Methode erfordert keine ausgefallenen Geräte oder Techniken – der gesamte Prozess basiert auf der traditionellen Halbleiterherstellung, was seine Kompatibilität mit bestehenden industriellen Verfahren weiter zeigt“, erklärte der Erstautor der Studie, Yusheng Lei, ein Nanoingenieur-Student im Labor von Professor Xu.

Mit ihren Halbleiterwerkzeugen in der Hand konnte das Forschungsteam die Dicke ihres Perowskitfilms im Bereich von 600 Nanometern bis etwa 100 Mikrometern kontrollieren und eine Fläche von 5,5 Quadratzentimetern erreichen.

Die Endbearbeitungsschritte umfassten die Übertragung des intakten Films auf ein zweites Substrat und das Aufbringen einer abgestuften Blei-Zinn-Verbindung.

„Die Blei-Zinn-Gradientenlegierung ermöglicht die Bildung einer abgestuften elektronischen Bandlücke, die die Ladungsträgermobilität erhöht und die Ladungsträgerrekombination behindert“, erklärt die neue Forschungsarbeit. „Bauteile auf Basis dieser einkristallinen Hybrid-Perowskite zeigen nicht nur eine hohe Stabilität gegenüber verschiedenen Degradationsfaktoren, sondern auch eine gute Leistung (zum Beispiel Solarzellen auf Basis von Blei-Zinn-Gradienten-Strukturen mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 18,77 Prozent).

Erdgas auf der Flucht vor der Solarzelle der Zukunft

Obwohl die Perowskit-Technologie in den nächsten Jahren möglicherweise keine breite Anwendung finden wird, ist dies alles für die Erdgasakteure schlecht neu. Sie haben einen Kostenvorsprung seit 1956, als die erste kommerzielle Solarzelle zu einem atemberaubenden Preis von 300 US-Dollar pro Watt auf den Markt kam.

Jetzt sind die durchschnittlichen Kosten auf nur 50 Cent pro Watt gesunken, die vollständig installierten Kosten für ein ganzes Dach voller Sonnenkollektoren betragen durchschnittlich etwa 3,00 US-Dollar pro Watt, und einige Analysten sehen in nur wenigen Jahren eine weit verbreitete Parität mit Erdgas.

Auch die Erdgas-Stakeholder verlieren allmählich das Argument der Grundlastleistung, und sie verlieren schnell die Kontrolle über das „saubere“Image.

Auch wenn keine Perowskite in Sicht sind, steht der Siliziumsolarzelle der Zukunft eine weitere Periode deutlicher Kostensenkungen bevor. Einige Analysten vermuten, dass der COVID-bedingte Nachfragerückgang nach Silizium-Solarmodulen zu einem Überangebot geführt hat, das die Preise bereits gedrückt hat und sich in den nächsten Jahren auch nach einer Erholung der Weltwirtschaft weiter ausbreiten wird.

Ein weiterer Faktor, der die Erdgasindustrie erschüttern sollte, ist die Ankündigung von Meyer Burger vom letzten Monat, die einen mächtigen neuen Player in die globale Solarproduktion bringt, wenn das Letzte, was jemand braucht, mehr Wettbewerb ist.

Auch hier in den USA ist das Energieministerium bestrebt, die Herstellungskosten für Solarzellen zu senken.

Dann gibt es noch den gesamten Bereich der Solarkosten, der Arbeit, Marketing, Genehmigungen, Netzanschluss und andere Kosten umfasst, die durch eine nationale Energiepolitik, die Solarjobs und andere Elemente der Solarindustrie anregt und subventioniert, gesenkt werden könnten.

Andere Entwicklungen, die dem Erdgas den Boden entziehen, sind eine vom Energieministerium unterstützte neu aufgefrischte kommunale Solarinitiative, die darauf abzielt, bis 2025 jedem US-Haushalt Zugang zu bezahlbarer Solarenergie zu verschaffen.

Darüber hinaus greifen bereits mehrere US-Bundesstaaten ein, um grüne Arbeitsplätze für die Erholung von COVID-19 zu erhalten.

Da der Präsidentschaftswahlzyklus in vollem Gange ist, freuen sich viele US-Wähler auch auf eine stärkere, grünere Ausrichtung der nationalen Energiepolitik ab 2020. Wünsche uns Glück!

Foto (ausgeschnitten): „Einkristall-Perowskitfilme könnten effizientere flexible Solarzellen wie die hier abgebildete ermöglichen“, mit freundlicher Genehmigung der Jacob School of Engineering, UC-San Diego.

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