Eine bemerkenswerte Entwicklung in der Photovoltaik-Technologie wurde von einem Forscherteam unter der Leitung der Universität Nanjing und in Zusammenarbeit mit dem Solarzellenhersteller Renshine Solar behauptet, als sie ein Perowskit-Solarmodul mit einer Fläche von 810 cm² und einem Wirkungsgrad der Umwandlung der Sonnenenergie in Elektrizität von 24,0 % entwickelten. Dieses Ergebnis wurde vom TÜV SÜD bestätigt und stellt einen Weltrekord bei der Herstellung von Perowskit-Modulen mit einer Fläche von über 800 cm² dar. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Jenseits des Labors: Die Skalenherausforderung
Perowskit-Solarzellen verblüffen Forscher seit langem mit ihren schnellen Effizienzsteigerungen-von nur 3,8 % im Jahr 2009 auf über 25 % in Geräten im Labormaßstab-heute. Doch der Weg von einer winzigen Laborzelle zu einem kommerziell nutzbaren Großmodul war mit Hindernissen behaftet. Mit zunehmender Größe der Geräte nehmen die Defekte zu, die Beschichtungen werden ungleichmäßig und die Effizienz sinkt. Diese „Skalenlücke“ war das größte Hindernis für die Kommerzialisierung von Perowskit.
Das Team der Universität Nanjing hat diese Distanz endlich erfolgreich zurückgelegt. Ihr Modul misst 810 cm²; ähnlich einem gewöhnlichen Blatt Papier, hat für das unter Laborbedingungen getestete Modul einen Rekordwirkungsgrad von 24,2 % ergeben, während die unabhängige Zertifizierung einen Wirkungsgrad von 24,0 % bestätigte. Das Modul zeigte außerdem eine Leerlaufspannung von 53,46 V, einen Kurzschlussstrom von 0,436 A und einen Füllfaktor von 83,40 %. Während das Maximum Power Point Tracking funktioniert, liegt die Leistung des Moduls stabil auf dem Niveau von 19,4 W.
Noch beeindruckender ist, dass das Team 150 Module mit einer Gesamtfläche von 0,72 m²-ein echtes Produkt im Metermaßstab-herstellte-und eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 144 W erreichte. Der Champion unter diesen erreichte einen zertifizierten Wirkungsgrad von 22,0 % und eine Leistung von 158,4 W und stellte damit einen Effizienzrekord im Metermaßstab auf.
Der technische Durchbruch: Oberflächenpassivierung neu gedacht
Was hat diesen Erfolg möglich gemacht? Die Antwort liegt in einem cleveren Überdenken der Oberflächenpassivierung-dem Prozess der Behandlung von Defekten an der Grenze der Perowskitschicht, die Ladungsträger einfangen und die Rekombination beschleunigen, wodurch die Spannung und der Strom gesenkt werden, die ein Gerät dem Sonnenlicht entziehen kann.
Die konventionelle Passivierung basiert auf Ammoniumhalogeniden (AHPs), die im Labor gut funktionieren, im Maßstab jedoch problematisch werden. In Kombination mit der Schlitzdüsenbeschichtung-, der kontinuierlichen Abscheidungsmethode, die für die großflächige -Flächenfertigung- verwendet wird, neigen AHPs dazu, sich ungleichmäßig zu verteilen, sodass einige Bereiche über-behandelt und andere unter-passiviert werden. Sie reagieren außerdem empfindlich auf Feuchtigkeit, was Hersteller typischerweise dazu zwingt, Messgerätemodule in inerten Atmosphären zu verarbeiten, was die Komplexität und Kosten der Ausrüstung erhöht.
Das chinesische Team verfolgte einen grundlegend anderen Ansatz. Anstatt sich auf den Passivator zu verlassen, um eine ungünstige Oberfläche auszugleichen, entwickelten sie die Oberflächenchemie des Perowskitfilmsvores passivieren. Mithilfe eines Lösungsmittelsystems mit hohem Sättigungsdampfdruck kontrollierten sie die Kristallisation des Films, um eine natürlich mit Formamidiniumiodid (FAI) angereicherte Oberfläche zu erzeugen. Anschließend behandelten sie diese maßgeschneiderte Oberfläche mit Bleidioleat-einem chemisch stabilen Bleicarboxylat (LCP)-anstelle herkömmlicher Ammoniumhalogenide.
Die Erkenntnisse waren revolutionär. Röntgenphotoelektronenspektroskopie bewies das Vorhandensein chemischer Bindungen zwischen dem LCP und der FAI{2}}-reichen Oberfläche, während die Photolumineszenzanalyse zeigte, dass die Trägerlebensdauer von 264 Nanosekunden auf 706 Nanosekunden anstieg, was bedeutet, dass das Einfangen der Träger erheblich abnahm und die Passivierungsqualität deutlich verbesserte. Im Gegensatz zu den mit AHP behandelten Filmen, die ungleichmäßige Ablagerungen und Defekte im Makromaßstab aufwiesen, führte die LCP-Behandlung zu kontinuierlichen hydrophoben Filmen, die sich durch eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit, Hitze und UV-Strahlung auszeichneten.
Haltbarkeit: Das fehlende Puzzleteil
Effizienz ist nur die halbe Wahrheit. Damit eine Photovoltaiktechnologie kommerziell erfolgreich sein kann, muss sie jahrzehntelangem Wetter in der realen Welt standhalten. Hier lieferte der LCP-Ansatz ebenso bemerkenswerte Ergebnisse.
In Standardtests der International Electrotechnical Commission (IEC) zeigten LCP-behandelte Module eine bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit. Nach 1.300 Stunden feuchter{4}}Wärmeeinwirkung verloren LCP-Module nur 2 % ihrer ursprünglichen Effizienz-im Vergleich zu 39 % bei mit AHP-behandelten Modulen. Nach 300 thermischen Zyklen war die Verschlechterung vernachlässigbar. Nach 2.200 Stunden Maximum Power Point Tracking behielten die Module 96 % ihrer ursprünglichen Effizienz. Auch nach der UV-Alterung behielten sie 95 % ihrer ursprünglichen Leistung. Alle LCP-modifizierten Module haben die vollständige IEC 61215-Zuverlässigkeitstestreihe bestanden-die internationale Norm, die zur Qualifizierung der Haltbarkeit terrestrischer Photovoltaikmodule verwendet wird. Die Feldüberwachung ergab, dass ihre spezifische Energieabgabe die von Silizium-TOPCon-Modulen übertraf.
Warum das für die Solarindustrie wichtig ist
Dieser Durchbruch hat tiefgreifende Auswirkungen auf die globale Solarindustrie.
Erstens zeigt es, dass Perowskit-Photovoltaik mithilfe der Umgebungsluftverarbeitung hergestellt werden kann, anstatt streng kontrollierte inerte Umgebungen zu erfordern. Dadurch wird ein großes Kostenhindernis für die Produktion im industriellen-Maßstab beseitigt.
Zweitens befasst sich der Ansatz mit dem Kompromiss zwischen Passivierung-versus-Leitfähigkeit-, der lange Zeit den Nutzen rein defekt-blockierender Behandlungsschichten eingeschränkt hat. Durch die Unterdrückung elektronischer Defekte und die Verbesserung des Trägertransports über die Schnittstelle erreicht die LCP-Strategie das, was viele für unmöglich hielten: bessere Leistung in größerem Maßstab.
Drittens und vielleicht am bedeutsamsten: Der Erfolg des Teams im Metermaßstab--mit 150 produzierten und getesteten Modulen-beweist, dass die Technologie von Forschungszellen in fertigungsrelevante-Architekturen übertragen werden kann. Wie die Forscher feststellten, veranschaulichen ihre Ergebnisse eine Herstellungsstrategie, die bewusst entwickelte Oberflächenchemie mit einem stabilen, umgebungskompatiblen Passivator- kombiniert. Ein Ansatz, der dazu beitragen könnte, die Lücke zwischen hochoptimierten Labor-Perowskitzellen und Modulen zu schließen, die durch kontinuierliche Beschichtung im industriellen Maßstab hergestellt werden.
Der Weg in die Zukunft
Der Meilenstein von 24 % Effizienz für großflächige Perowskit-Module ist kein Endpunkt, sondern ein Wegpunkt. Branchenbeobachter stellen fest, dass bei fortgesetzter Weiterentwicklung 2–3 m² große Gewerbemodule mit einem Wirkungsgrad von 26 % in greifbare Nähe rücken. Unterdessen überschreiten Tandem-Perowskit--Silizium- und Voll--Perowskit-Tandem-Architekturen weiterhin die Grenzen, wobei einige Konfigurationen in kleineren Maßstäben bereits einen Wirkungsgrad von über 26 % erreichen.
Die Zusammenarbeit mit Renshine Solar an der Universität Nanjing-hat bewiesen, dass Perowskit-Photovoltaik nicht mehr nur eine Laborkuriosität ist. Sie werden zu einer herstellbaren, langlebigen und immer effizienteren Realität. Während die Welt darum kämpft, ihre Energiesysteme zu dekarbonisieren, ist dieser Durchbruch eine eindrucksvolle Erinnerung daran, dass die nächste Generation der Solartechnologie nicht Jahrzehnte entfernt ist. -Sie wird gerade jetzt gebaut, ein Rekord nach dem anderen.
