Langlebige Alumina‑Nanopartikel erhöhen die Lebensdauer von Perowskit‑Solarzellen um das Zehnfache

Ein Team innovativer Forscher hat gerade eine Studie veröffentlicht, die zeigt, wie Alumina‑Nanopartikel die Lebensdauer von Solarmodulen um das Zehnfache verlängern können. Da die globale Gemeinschaft ihr Ziel, in den nächsten Jahrzehnten Netto‑Null‑CO₂‑Emissionen zu erreichen, immer näher rückt, gibt es einen starken Anstoß, erneuerbare Energien auf den Markt zu bringen. Erneuerbare Energieoptionen wie Windturbinen und Solarmodule bieten eine zuverlässige, saubere Energielösung. Diese Geräte sind jedoch nicht perfekt, und ihre Leistung verschlechtert sich im Laufe der Zeit.

Arten von Solarmodulen

Solarpanel‑Technologie entwickelt sich stetig weiter. Heute gibt es vier Haupttypen von Solarmodulen auf dem Markt: PERC, monokristallin, polykristallin und Dünnschicht‑Module. Diese Optionen haben jeweils Vor‑ und Nachteile hinsichtlich Effizienz, Lebensdauer, Größe und Haltbarkeit.

PERC  (Passivierter Emitter und Rückseitenzelle)

PERC‑Solarmodule integrieren ein Dual‑Lagen‑Design, um die Effizienz zu maximieren. Bemerkenswert kann dieser Modultyp mit diesem Aufbau eine Effizienz von über +20 % erreichen. Er bietet mittlere Haltbarkeit und Lebensdauer. Allerdings ist er die teuerste Option in der Liste, was ihn für die meisten Hausbesitzer ungeeignet macht.

Monokristallin

Monokristalline Module sind eine weitere teure Option, die eine Effizienz von 20 % erzielt. Dieses Modul verwendet Siliziumkristall als Grundmaterial. Die Ausführung bietet die längste Lebensdauer der vier Optionen, erhöht jedoch auch die Gesamtkosten dieser Module.

Polykristallin

Polykristalline Module werden durch das Verschmelzen von Siliziumfragmenten hergestellt. Dieser Ansatz senkt die Herstellungskosten und macht diese Option erschwinglicher. Allerdings sind diese Einheiten größer als ihre Gegenstücke und weniger effizient. In den meisten Fällen erreichen sie durchschnittlich 15 % Effizienz.

Dünnschicht‑Module

Dünnschicht‑Module bieten die niedrigste Effizienz, dafür jedoch die größte Flexibilität und Erschwinglichkeit. Diese Module sieht man an Wohnmobilen und anderen Bereichen, in denen Platz begrenzt ist. Dünnschicht‑Module können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Zwei gängige Optionen sind CdTe (Cadmiumtellurid) und a‑Si (Amorphes Silizium).

Perowskit‑Solarzellen (PSCs)

Perowskit‑Solarzellen sind die heute fortschrittlichste Art von Solarmodulen. Diese siliziumbasierten Module bieten hohe Effizienz bei einem leichten, kompakten Design. Um dies zu erreichen, integrieren sie selbstassemblierte Monoschichten (SAMs), um die Leistung zu verbessern, ohne die Preise zu erhöhen.

Probleme mit PSCs

PSCs haben nach wie vor zahlreiche Nachteile. Zum einen leiden sie wie andere Moduloptionen unter Jodleckagen. Die Bildung von molekularem Jod entsteht im Laufe der Zeit durch chemische Reaktionen in diesen Materialien, was die Degradationsprozesse verstärkt und die Leistung reduziert.

Studie zu Alumina‑Nanopartikeln

Da das Verständnis des Einflusses molekularer Modifikatoren auf die nanoskaligen elektrischen und elektronischen Eigenschaften des Perowskits sowie die Gerätestabilität fehlte, entwickelten Ingenieure der University of Surrey eine neuartige Methode, um die Lebensdauer und Leistung dieser Geräte zu verbessern. Der Bericht “Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer“¹, veröffentlicht in EES Solar, enthüllt die inneren Abläufe dieser Materialien während des Degradationsprozesses und ermöglicht es Ingenieuren, Oberflächenmodifikatoren besser zu verstehen und zu nutzen, um zukünftige Geräte zu verbessern. Im Rahmen der Studie begann das Team damit, die Haltbarkeit der wichtigsten Solarmodultypen gegeneinander zu testen.

PFN–Br

Dieses polymere Elektrolyt wird häufig in PSCs verwendet. Es bietet zuverlässige Leistung und mittlere Lebensdauer. Das Team entschied sich, dieses Material zu nutzen, da es als das fortschrittlichste auf dem heutigen Markt gilt.

Alumina (Al₂O₃) Nanopartikel

Die Ingenieure entwickelten Alumina‑(Al₂O₃‑)Nanopartikel im Rahmen ihrer Forschung. Diese winzigen Teilchen wurden entwickelt, um das im Solarmodul im Laufe der Zeit freigesetzte Jod zu binden. Ziel war es, zu verhindern, dass Jod in den Rest der Zelle entweicht und die Leistung beeinträchtigt.

2D‑Perowskite

Um die Aufgabe zu erfüllen, entwickelten die Ingenieure eine 2‑D‑Perowskit‑Barriere gegen Feuchtigkeit. Diese Barriere verhinderte das Eindringen äußerer Materialien in das Modul, die eine Degradation auslösen könnten. Diese Strategie erhöhte die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Moduls.

Alumina‑Nanopartikel‑Test

Um ihre Theorie zu testen, mussten die Ingenieure die Module realen Bedingungen aussetzen. Im Rahmen der Testphase entwickelte das Team Szenarien mit starker Hitze und Feuchtigkeit. Die Module wurden anschließend in diese Umgebungen gebracht und getestet. Mit Hilfe der Röntgen‑Photoelektronenspektroskopie (XPS) verfolgte das Team sorgfältig den Fortschritt der Degradation der Zellen unter belastenden Bedingungen.

Kelvin Probe Force Microscopy

Anschließend nutzten die Ingenieure ein Kelvin‑Probe‑Kraft‑Mikroskop, um den Einfluss der Modifikatoren auf die Oberfläche und die elektronische Homogenität von frischen und degradierten Proben zu überwachen. Das KPF‑Mikroskop wurde eingesetzt, um die elektronische Homogenität der Oberfläche von Perowskit‑Filmen zu analysieren. Dies half den Forschern zu verstehen, wie Alumina‑Nanopartikel zur verbesserten Stabilität und reduzierten Degradation beitragen, anstatt deren Funktionsweise direkt zu beobachten.

Stabilitätstests

Stabilitätstests beinhalteten die Untersuchung, wie die eingeschlossene Feuchtigkeitsbarriere unter intensiven Bedingungen standhält. Die Geräte wurden nach jedem Expositionszyklus periodisch getestet. Diese Strategie erleichterte es den Wissenschaftlern, direkte Vergleiche zwischen den einzelnen Zellen anzustellen.

Ergebnisse der Alumina‑Nanopartikel‑Tests

Die Testergebnisse zeigen großes Potenzial für diese Technologie. Zum einen erzeugten die mit Alumina‑Nanopartikeln hergestellten Zellen mehr Energie und konnten leichter gebaut werden. Diese Geräte zeigten eine hohe Leistung bei nur minimaler Degradation der Energieproduktion über 1.530 Stunden Testzeit.

Konkret zeigten die mit Nanopartikeln versetzten Einheiten eine zehnmal längere Lebensdauer im Vergleich zu Vorgängern. Die Ingenieure stellten fest, dass die Al₂O₃‑Nanopartikel zu einer gleichmäßigeren Perowskit‑Struktur beitrugen. Diese verbesserte Architektur wies weniger Defekte auf und steigerte die elektrische Konnektivität.

Beeindruckend erzeugten die Nanopartikel eine 2‑D‑Schutzschicht, die das Eindringen von Feuchtigkeit in die Einheiten verhinderte. Tests zeigten eine niedrige Wasserpermeationsrate von etwa 4 × 10⁻³ g pro m² pro Tag. Daher eignen sich die neuen Einheiten besser für widrige Wetterbedingungen und permanente Installationen.

Vorteile von Alumina‑Nanopartikeln

Es gibt eine lange Liste von Vorteilen, die Alumina‑Nanopartikel zu einer sinnvollen Alternative zu anderen Optionen machen. Zum einen bieten sie hohe Effizienz bei kleinem Formfaktor. In räumlich begrenzten Bereichen, wie städtischen Dächern, können diese Module mehr Leistung erbringen.

Längere Lebensdauer

Die Installation von Solarenergie in Haus oder Unternehmen ist nicht billig. Es ist üblich, dass ein System mehr als 50.000 $ kostet. Jede Technologie, die die Lebensdauer dieser Geräte verbessern und die Kosten senken kann, wird voraussichtlich schnell vom Markt angenommen.

Günstiger in der Herstellung

Ein weiterer Hauptvorteil von Alumina‑Nanopartikel‑Modulen besteht darin, dass sie bei Berücksichtigung ihrer potenziell längeren Lebensdauer kostengünstiger herzustellen sind. Während Solarmodule immer fortschrittlicher werden, war der Trend, dass neuere Versionen deutlich teurer als ihre Vorgänger sind. Dieser jüngste wissenschaftliche Durchbruch könnte diesen Trend umkehren und Herstellern ermöglichen, bessere Produkte zu geringeren Kosten anzubieten.

Forscher zu Alumina‑Nanopartikeln

Die Studie zu Alumina‑Nanopartikeln wurde von einem Team von Ingenieuren der University of Surrey veröffentlicht. Als Hauptautor wird W. Hashini K. Perera genannt, zusammen mit einem Team von Mitarbeitern des National Physical Laboratory und der University of Sheffield. Das Team will nun seine Forschung zur Verbesserung von Solarmodulen weiter vorantreiben, mit dem Ziel, die Technologie so zu verfeinern, dass innerhalb von 2–5 Jahren kommerzielle Produkte entstehen.

Unternehmen, die den Solarmodul‑Markt anführen

Der Wettlauf um saubere Energie hat zur Entstehung mehrerer namhafter Solarmodul‑Hersteller und Marktteilnehmer geführt. Von der Entwicklung neuer Technologien bis zu den Arbeitern, die die Module installieren, expandiert der Sektor stetig. Hier ist ein Unternehmen, das gut positioniert ist, um von jedem bedeutenden Durchbruch in der Solartechnologie zu profitieren und die Renditen zu steigern.

First Solar, Inc.

First Solar Inc. (FSLR ) trat 1999 in den Markt mit dem Ziel, zuverlässige Solarsysteme weltweit bereitzustellen. Bemerkenswert ist, dass das Unternehmen von Solar Cells umbenannt wurde, im Zuge der Neuausrichtung des Unternehmens auf Photovoltaikzellen (PV). Derzeit hat das Unternehmen seinen Hauptsitz in Tempe, Arizona, und bietet eine breite Auswahl an Solarenergie‑Lösungen.

Bemerkenswert ist, dass First Solar der einzige große US‑Anbieter von Solarsystemen ist, der keine chinesische Fertigung nutzt. Das Unternehmen stellt seine Dünnschicht‑Cadmiumtellurid‑(CdTe‑)Module in den USA her. Außerdem gehörte First Solar zu den ersten Unternehmen, die zuverlässige Cadmiumtellurid‑(CdTe‑)Solarmodule auf den Markt brachten.

Wer eine Beteiligung am Solarsektor sucht, sollte sich intensiver mit First Solar befassen. Das Unternehmen genießt einen guten Ruf. Zudem würde seine Marktposition es ermöglichen, neue Technologien wie Alumina‑Nanopartikel einzuführen, um die Leistung seiner Produkte zu verbessern. Daher wird First Solar von vielen als „Starke Kaufempfehlung“ angesehen.

Neueste Informationen zu First Solar Inc.

Alumina‑Nanopartikel machen Solarmodule widerstandsfähiger

Der Bedarf, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren, hat in den letzten zehn Jahren zu einem Anstieg der Installation von Solarmodulen geführt. Diese jüngste Forschung könnte die Verbreitung von Solarsystemen weiter vorantreiben, indem sie Kosten senkt und Leistung sowie Lebensdauer verbessert. Daher verdient dieses Team Anerkennung dafür, die Tür zu zukünftigen Innovationen geöffnet zu haben.

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Studienreferenzen:

^{1. Perera, W. H. K., Woodgate, T. J., Kim, D. K., Kilbride, R. C., Masteghin, M. G., Smith, C. T. G., Hinder, S. J., Wood, S., Jayawardena, K. D. G. I., & Silva, S. R. P. (2025). Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer. EES Solar. https://doi.org/10.1039/d4el00029c}