Nickeloxid kann die Herstellung langlebigerer Perowskit-Solarzellen ermöglichen. Ein koreanisches Forscherteam nutzt das Material, um störende Bestandteile aus einer Lösung für die Transportschicht zu entfernen. Die fertigen Zellen erreichten einen Wirkungsgrad von 25,24 Prozent. Nach 1.000 Stunden unter feuchter Hitze lag ihre Leistung noch bei mehr als 95 Prozent des Ausgangswerts.
Die von Yun Seop Shin und Minjin Kim mitgeleitete Arbeit entstand unter Beteiligung des Korea Institute of Energy Research und des Ulsan National Institute of Science and Technology. In der in Advanced Science veröffentlichten Untersuchung steht die Aufbereitung des Lochleiters Spiro-OMeTAD im Mittelpunkt. Nickeloxid dient dabei als Hilfsmittel für eine chemische Reaktion und die Reinigung. Es bildet keine zusätzliche Schutzschicht auf der fertigen Solarzelle.
In einer Solarzelle entstehen bei der Aufnahme von Licht bewegliche Ladungsträger. Spezielle Schichten müssen diese Ladungen möglichst verlustarm zu den Kontakten transportieren. Spiro-OMeTAD übernimmt in vielen Perowskit-Zellen den Transport positiver Ladungen, die als Löcher bezeichnet werden. Seine elektrischen Eigenschaften werden durch Zusatzstoffe eingestellt. Diese können jedoch zugleich die langfristige Stabilität beeinträchtigen.
Die Forscher entwickelten eine Behandlung ohne den üblichen Zusatzstoff tBP. Mikrometergroße Nickeloxid-Partikel unterstützen dabei die Oxidation des Lochleiters und binden Lithiumionen aus der Rezeptur. Anschließend werden die Partikel mitsamt gebundenen Ionen und Nebenprodukten abfiltriert. Zurück bleibt die aufbereitete Lösung für die Transportschicht. Der entscheidende Schritt besteht somit nicht darin, immer mehr Material in die Zelle einzubauen, sondern unerwünschte Reste vor der Verarbeitung zu entfernen.
Die beste Zelle mit der neuen Behandlung erreichte 25,24 Prozent Wirkungsgrad. Für die optimierte Vergleichszelle nennt die Studie 25,21 Prozent. Dieser kleine Abstand ist nicht der wesentliche Fortschritt. Er zeigt vor allem, dass die veränderte Rezeptur unter den untersuchten Bedingungen keine deutliche Effizienzeinbuße erforderte. Der Schwerpunkt liegt auf der Beständigkeit der Zellen.
Hohe Effizienz und lange Nutzbarkeit sind getrennte Anforderungen. Ein Rekord bei einer Tandemsolarzelle aus Silizium und Perowskit beschreibt zunächst die Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Die über viele Jahre erzeugte Strommenge hängt zusätzlich davon ab, wie schnell diese Leistung nachlässt. Eine etwas weniger effiziente, aber dauerhafter arbeitende Zelle kann deshalb technisch ebenfalls interessant sein. Der neue Ansatz adressiert genau diesen zweiten Teil der Aufgabe.
Die Forscher untersuchten gekapselte Zellen bei 85 Grad Celsius und 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit. Nach 1.000 Stunden blieb mehr als 95 Prozent des anfänglichen Wirkungsgrads erhalten. Die Verkapselung gehört ausdrücklich zum Versuchsaufbau. Das Resultat darf daher nicht so verstanden werden, als hätten ungeschützte Schichten die gleiche Belastung überstanden. Entscheidend ist das Zusammenwirken von innerer Materialstabilität und äußerem Schutz.
Solche beschleunigten Prüfungen ermöglichen Vergleiche innerhalb überschaubarer Zeit. Sie sind aber keine direkte Umrechnung in eine bestimmte Zahl von Betriebsjahren auf einem Dach. Im Freien wirken zusätzlich wechselnde Temperaturen, Sonnenlicht, mechanische Belastungen und lokale Umweltbedingungen zusammen. Verschiedene Abbauprozesse können dabei unterschiedlich stark werden. Ein guter Hitzetest ist deshalb ein wichtiger Baustein der Bewertung, jedoch kein vollständiger Lebensdauernachweis.
Auch andere Entwicklungen, etwa neue Materialkombinationen in Quantenpunktsolarzellen, zeigen die Vielfalt der Photovoltaikforschung. Ein erfolgreicher Laborprozess muss anschließend auf größere Flächen und eine gleichmäßige Produktion übertragen werden. Bei der neuen Reinigung wäre beispielsweise wichtig, wie zuverlässig das Filtern im größeren Maßstab funktioniert. Ebenso müssen Lösung, Schichtbildung und übrige Zellbestandteile dauerhaft zusammenpassen.
Die Untersuchung liefert dafür einen konkreten chemischen Ansatz. Sie trennt die nützliche Wirkung einer vorübergehenden Zugabe von den Nachteilen zurückbleibender Bestandteile. Wie gut sich dieser Ansatz wirtschaftlich und industriell umsetzen lässt, bleibt eine weitere Entwicklungsfrage. Belegt sind zunächst eine hohe Effizienz kleiner Testzellen und eine deutlich belastbare Materialkombination im beschriebenen Klimatest.
Advanced Science, Redox-Active NiOx-Catalyzed Li+ Capture-Extraction Strategy for tBP-Free Spiro-OMeTAD Enables Exceptional Damp-Heat Stability in Perovskite Solar Cells; doi:10.1002/advs.202521825
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