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pte20220121017 Umwelt/Energie, Forschung/Entwicklung

Quantenpunkte machen Solarzellen besser

EPFL und Korea Institute of Energy Research sehen einen Durchbruch bei der Perowskit-Variante


Sonnenlicht: Dieses lässt sich bald noch effektiver nutzen (Foto: jplenio/Pixabay)
Sonnenlicht: Dieses lässt sich bald noch effektiver nutzen (Foto: jplenio/Pixabay)

Lausanne/Daejeon (pte017/21.01.2022/12:30) -

Mit Quantenpunkten lassen sich bessere Solarzellen bauen. Dabei handelt es sich um nanometergroße Partikel, die als Halbleiter fungieren und Licht bestimmter Wellenlängen (Farben) emittieren, wenn sie beleuchtet werden. Ihre einzigartigen optischen Eigenschaften machen Quantenpunkte ideal für den Einsatz in einer Vielzahl von optischen Anwendungen, einschließlich der Photovoltaik. Forscher um Professor Michael Grätzel von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) http://epfl.ch und Dong Suk Kim vom Korea Institute of Energy Research http://www.kier.re.kr/eng haben Winzlinge jetzt eingesetzt, um Solarzellen auf der Basis von Perowskit-Keramiken entscheidend zu verbessern.

Energiesparend, aber kurzlebig

Solarzellen dieser Art lasen sich weitaus kostengünstiger herstellen als Zellen auf Siliziumbasis. Der Energiebedarf bei der Herstellung ist entscheidend geringer und der Wirkungsgrad liegt nahe dem der besten Siliziumzellen. Trotzdem blieb der Durchbruch bisher aus, denn die Stabilität der Zellen ist gering und der Wirkungsgrad verringert sich deutlich schon innerhalb von wenigen Jahren. Grätzel, der bereits die nach ihm benannte Farbstoffsolarzelle entwickelt hat, und Kim fanden heraus, dass das Problem mit der Perowskit-Zelle unter anderem an der sogenannten Elektronentransportschicht liegt. Diese sorgt dafür, dass die vom Sonnenlicht freigesetzten Elektronen zu einer Elektrode fließen und dort als elektrischer Strom abgezapft werden können.

Diese Schicht besteht aus porösem Titandioxid, das eine geringe Elektronenbeweglichkeit zulässt und auch anfällig für eine fotokatalytische Zersetzung unter ultraviolettem Licht ist. Diese Schicht haben die beiden Forscher durch eine hauchdünne Lage aus sogenannten polyacrylsäurestabilisierter Zinn(IV)-oxid-Quantenpunkten ersetzt. Damit verbesserten sie nicht nur die Fähigkeit des Materials, Sonnenlicht effektiv einzufangen, was wichtig für den Wirkungsgrad ist. Sie verhinderten zudem, dass nennenswerte Mengen an Elektronen rekombinieren, ehe sie als Strom nutzbar sind. Das heißt, sie vereinigen sich mit sogenannten Löchern zu elektrisch neutralen Partikeln.

Wirkungsgrad über 25 Prozent

Perowskit-Solarzellen mit einer Fläche von 0,08 Quadratzentimetern erreichten mithilfe der Quantenpunkte einen Rekordwirkungsgrad von 25,4 Prozent, der über lange Zeit kaum abnahm. Diese Größe ist für den praktischen Gebrauch jedoch inakzeptabel. Doch auch bei Zellen mit einer Fläche von 64 Quadratzentimetern lag der Wirkungsgrad noch bei 20,6 Prozent, ähnlich wie bei guten kommerziellen Siliziumzellen.

(Ende)
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