Steigerung der realen Anwendbarkeit von Perowskit-Solarzellen mit Amidimium

Die beste Solartechnologie langlebig machen

Die meisten Solarmodule basieren auf zwei Technologien: Polysilizium, das den Großteil ausmacht, und Dünnschicht‑Cadmiumtellurid. Es gibt jedoch einen dritten Weg zur Herstellung von Photovoltaiksystemen, der ein Mineral namens Perowskit verwendet.

Dies besteht aus Calcium‑Titan‑Oxid, und diese Technologie hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Von Laborprototypen mit nur 3,8 % Licht‑zu‑Strom‑Umwandlungseffizienz im Jahr 2009 erreichten sie erreichte 33,9 % im Jahr 2024 für ein Design von LONGi Green Energy Technology.

Allerdings haben Perowskit‑Solarmodule ein großes Problem: Haltbarkeit. Die meisten Perowskit‑Solarzellen halten nur wenige Jahre. Das verhindert ihre Nutzung in kommerziellen Anwendungen, da es die Rentabilität dieser Systeme untergräbt, selbst bei höherer Effizienz und niedrigeren Produktionskosten.

Daher, solange sie nicht die 2‑3 Jahrzehnte Haltbarkeit von Polysilizium erreichen, werden Perowskite zu Nischenanwendungen und Laborprototypen verurteilt sein und verpassen den größten Teil des „neuen Solarzeitalters“, das bereits über uns hereinbricht.

Dies ist der Grund, warum die Ankündigung einer Methode, die Stabilität von Perowskit dreifach zu verbessern, ein großer Durchbruch ist. Sie wurde von Forschern der Northwestern University (USA), der Griffith University (Australien) und der University of Toronto (Kanada) entwickelt, die ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Science unter dem Titel Amidierung von Liganden zur chemischen und feldabhängigen Passivierung stabilisiert Perowskit‑Solarzellen¹ veröffentlicht haben.

Vorteile von Perowskiten

Die wichtigsten Vorteile von Perowskit sind die geringen Kosten und die Möglichkeit, Solarzellen zu „drucken“. Ein wesentlicher Grund für die niedrigen Kosten ist, dass es bei Raumtemperatur hergestellt werden kann, im Gegensatz zu Silizium, das Hunderte Grad erfordert.

Perowskit‑Zellen sind zudem flexibel, was neue Anwendungen wie Autodächer und Drohnen ermöglicht. Sie absorbieren zudem einen größeren Teil des Sonnenlichts, was zu einer höheren theoretischen Effizienz von bis zu 40 % führt.

Titan ist ebenfalls ein relativ reichlich vorkommendes Metall und stellt daher eine bessere Alternative zu Silizium als Cadmiumtellurid dar. Allerdings muss das mögliche Austreten schwerer Metalle, insbesondere Blei, ebenfalls berücksichtigt werden.

Quelle: Research Gate

Es sollte auch erwähnt werden, dass Silizium‑Perowskit‑Tandemzellen, wie die von LONGi entwickelte, eine Alternative zu reinen Perowskit‑Systemen darstellen.

Schutz von Perowskiten vor Degradation

Typischerweise verwenden Perowskit‑Solarzellen eine ammoniumbasierte Beschichtungsschicht zur Steigerung der Effizienz. Obwohl wirksam, zerfallen ammoniumbasierte Schichten unter Umwelteinflüssen wie Hitze und Feuchtigkeit. Das liegt daran, dass das Ammonium‑Molekül bei intensiver Hitze und Wasser zerfällt.

Quelle: Frontiers

Dies ist natürlich alles andere als ideal für den realen Einsatz von Solarmodulen, die mit Regen und heißen Sommertagen umgehen müssen.

Hier fanden die Forscher dieser Studie eine Lösung, indem sie eine andere stickstoffbasierte Verbindung verwendeten: Amidinium. Amidinium ist das Ion, das aus Amidinen entsteht.

Quelle: Wikipedia

Dies stellt einen Wandel gegenüber früheren Forschungen zu Perowskiten dar, die sich auf die Verbesserung der Stabilität der Perowskite selbst konzentrierten. Stattdessen wird hier versucht, die Schutzschichten zu verbessern.

Radikale Verbesserung

Dieses neue Verfahren verbesserte nicht nur die Widerstandsfähigkeit der Beschichtung auf den Perowskit‑Zellen, sondern steigerte auch die Gesamthaltbarkeit des Solarpanels.

„Die neue Beschichtung war zehnmal beständiger gegen Zersetzung im Vergleich zu herkömmlichen ammoniumbasierten Beschichtungen. Noch besser: Die mit Amidinium beschichteten Zellen verdreifachten zudem die T₉₀‑Lebensdauer der Zelle – die Zeit, die benötigt wird, bis die Effizienz einer Zelle unter harten Bedingungen auf 90 % ihres Anfangswerts sinkt.“

Bin Chen –  Forschungsassociate Professor für Chemie an der Northwestern

Aufbauend auf vorherigen Innovationen

Dies ist bei weitem nicht der erste Durchbruch dieses Forschungsteams.

Ein weiteres Team des Mitautors, Ted Sargent, entwickelte 2022 eine Perowskit‑Solarzelle, die Rekorde für Energieeffizienz und Spannung aufstellte.

2023 stellte sein Team eine Perowskit‑Solarzelle mit invertierter Struktur vor, die ebenfalls die Energieeffizienz verbesserte. Sie integrierten zudem Flüssigkristalle, um Defekte in Perowskit‑Filmen zu minimieren, was zu einer verbesserten Geräteleistung führte.

Es sollte auch erwähnt werden, dass diese Studie nicht ausschließlich von Wissenschaftlern durchgeführt wurde, sondern sowohl von dem privaten Unternehmen First Solar (FSLR ) als auch von öffentlichen Institutionen wie dem Handelsministerium, dem National Institute of Standards and Technology und dem US-Energieministerium unterstützt wurde.

Investition in Solarenergie

Die Stromerzeugung aus Solarenergie wächst kontinuierlich mit zweistelliger Rate und wird ein entscheidender Treiber zur Dekarbonisierung der Wirtschaft sein. Sie hat jedoch noch einen langen Weg vor sich, da der überwiegende Teil unserer globalen Stromproduktion und noch mehr des gesamten Energieverbrauchs aus fossilen Brennstoffen stammt.

Im Laufe der Jahre hat sich dieser Sektor so entwickelt, dass die größten Unternehmen belohnt werden, wobei Skaleneffekte ein entscheidender Faktor sind, um in einem stark umkämpften Umfeld profitabel zu bleiben. Neue Technologien stellen natürlich ein potenzielles disruptives Element für etablierte Polysilizium‑Panelhersteller dar.

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Wenn Sie nicht einzelne Solarunternehmen auswählen möchten, können Sie auch in ETFs wie den Global X Solar ETF (RAYS), den Invesco Solar ETF (TAN) oder den Global X China Clean Energy ETF (2809.HK) investieren, die eine breitere Diversifizierung ermöglichen, um vom Solar‑ und Clean‑Energy‑Sektor zu profitieren.

Sie können auch unseren Artikel über die „Top‑10‑Solaraktien zum Investieren“ lesen.

Solarunternehmen

First Solar ist der größte Solarmodulhersteller in den USA und in der gesamten westlichen Hemisphäre, mit Produktionsstandorten in den USA, Malaysia und Vietnam.

Das Unternehmen verwendet nicht die klassische kristalline Siliziumtechnologie, sondern nutzt seine proprietären Dünnschicht‑Photovoltaikmodule. Auf Cadmium‑Tellurid basierend sind sie effizienter, werden kostengünstiger produziert und lassen sich leicht massenhaft herstellen. Dünnschicht‑Solarmodule sind zudem langlebiger und behalten nach 30 Jahren 89 % ihrer ursprünglichen Leistung.

Quelle: First Solar

Cadmium und Tellurid sind Nebenprodukte des Abbaus anderer Metalle, was bedeutet, dass First‑Solar‑Produkte nur minimale Auswirkungen haben, da sie Ressourcen nutzen, die zuvor wenig Verwendung fanden. Dünnschicht‑Paneele können zudem eine hohe Recyclingquote aufweisen.

First Solars technologischer Vorsprung in Kombination mit seiner geografischen Lage macht das Unternehmen zum wahrscheinlichen Nutznießer des wachsenden Bestrebens westlicher Länder, ihre Paneele nicht mehr aus China zu beziehen.

Das Unternehmen erhöht seine Produktionskapazität zügig und strebt an, bis 2026 eine Nennkapazität von 25 GW zu erreichen, gegenüber derzeit 11 GW.

Angesichts seiner Beteiligung an der hier diskutierten Forschung ist das Unternehmen eindeutig an Perowskit interessiert, zumindest sobald diese Paneele ausreichend langlebig sind. In seiner Investorenpräsentation bemerkte es insbesondere, dass Perowskit eine „Entwicklungslinie haben sollte, die für die Herstellung von Technologiemustern unter simulationsähnlichen Fertigungsbedingungen im 4. Quartal 2024 bereitsteht“.

First Solar hat seit seiner Gründung insgesamt 2 Mrd. $ in Forschung und Entwicklung investiert.

Insgesamt ist First Solar ein Technologieführer, der von Zöllen auf chinesische Importe profitieren wird, was wahrscheinlich die negativen Auswirkungen von Trumps Wiederwahl auf die Solarindustrie ausgleichen wird.

Obwohl das Unternehmen bisher hauptsächlich auf Dünnschicht‑Solar mit Cadmium‑Tellurid fokussiert ist, könnte seine Expertise in der Herstellung von Nicht‑Silizium‑Solarmodulen ihm einen erheblichen Vorsprung bei Perowskit verschaffen, insbesondere angesichts seiner engen Verbindungen zu einigen der führenden Forscher auf diesem Gebiet.

Studienreferenz:

^{1. Yang, Y., et al. (2024). Amidierung von Liganden zur chemischen und feldabhängigen Passivierung stabilisiert Perowskit‑Solarzellen. Science, 386(898–902). https://doi.org/10.1126/science.adr2091}