Was die Elemente angeht, ist Silizium in Bezug auf den Überfluss auf der Erde nach Sauerstoff an zweiter Stelle. Für diese und seine Eigenschaften als Halbleiter ist es seit langem das Rückgrat der Elektronik. Das Material ist in allem enthalten, von Computerchips bis zu Radios. Immerhin ist es der Namensgeber für das Zentrum der modernen Tech-Industrie in Kalifornien, das Silicon Valley.
In Bezug auf die sonnige Technologiehauptstadt ist Silizium das wichtigste Element, das in Sonnenkollektoren verwendet wird. Drei Wissenschaftler der Bell Telephone Company in New Jersey haben in den 1950er Jahren die allererste Siliziumsolarzelle patentieren lassen - die erste Solarzelle, die als praktisch erachtet wird und 6 Prozent des einfallenden Lichts in nutzbaren Strom umwandeln kann. Das Material hat seitdem den Solarmarkt dominiert. Heute sind mehr als 90 Prozent der weltweit hergestellten Panels kristalline Silizium-PV-Panels.
Silizium hat so viel Status und Markteinfluss erlangt, dass nur wenige wissen, dass es für Solaranlagen andere Optionen gibt.
Perowskite oder kristalline Strukturen sind eine neue Art von Solarzellen, die aus üblichen Elementen wie Methylammonium-Bleiiodid bestehen. Perowskite sind einfacher herzustellen und können Sonnenlicht schneller in Elektrizität umwandeln als Siliziumzellen. Die Herausforderung besteht darin, dass Perowskite extrem zerbrechlich sind.
Wissenschaftler der Stanford University nehmen jedoch einen Hinweis aus der Natur. Um Perowskite haltbarer zu machen, haben sie auf die elastische Struktur eines Fliegenauges geachtet.
Das Facettenauge einer Fliege besteht aus Hunderten von sechseckig segmentierten Augen, die zum Schutz jeweils mit einem „Gerüst“ aus organischem Protein geschützt sind. Die Augen sind in Wabenform angeordnet, und wenn eines versagt, funktionieren die anderen immer noch. Die gesamte Orgel weist eine Redundanz und Haltbarkeit auf, die die Forscher in Solarmodulen nachbilden möchten.
Die mit Perowskit gefüllten Gerüste setzten die Forscher durch Bruchtests. (Dauskardt Lab / Stanford University) Reinhold Dauskardt und seine Gruppe für Materialwissenschaften haben ein bienenwabenförmiges Gerüst mit einer Breite von nur 500 Mikrometern aus Standard-Fotolack oder lichtempfindlichem Material hergestellt. Um ein weiteres Beispiel aus der Natur zu leihen: So wie eine Biene eine Wabe bildet und diese dann mit Honig füllt, bauen Wissenschaftler diese Schutzstruktur auf und machen daraus den Perowskit. Sie drehen eine Lösung von Elementen innerhalb des Gerüsts, geben Wärme ab und beobachten, wie sie kristallisieren, um die Perowskitstruktur und ihre photovoltaischen Eigenschaften zu erreichen. Anschließend beschichten die Wissenschaftler die Solarzelle mit einer Silberelektrode, um sie abzudichten und um die Energie einzufangen.
In einem vorläufigen Labortest behielten Dauskardts Solarzellen, die etwa sechs Haarsträhnen breit sind, ihre Struktur und Funktionalität bei. Wenn sie sechs Wochen lang hohen Temperaturen und Luftfeuchtigkeit (185 Grad Fahrenheit und 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit) ausgesetzt waren, produzierten die Zellen weiterhin Strom mit gleichbleibenden Werten. Auch das Gerüst um die Perowskite schreckte nicht von ihrer elektrischen Leistung ab.
Dies ist eine bahnbrechende Leistung. Vor dieser Innovation war es für die Forscher sehr schwierig, photovoltaische Perowskitzellen zu manipulieren und herzustellen, geschweige denn in der Umwelt zu überleben.
„Als ich zu Beginn der organischen Photovoltaik Vorträge hielt, sagte ich:‚ Wenn Sie diese Materialien einatmen, werden sie scheitern. ' Im Fall von Perowskiten sage ich, wenn Sie sie anschauen, werden sie scheitern “, witzelt Dauskardt, Hauptforscher der neuen Studie, die in Energy and Environment Science veröffentlicht wurde .
Perowskite können bis zu 100-mal spröder sein als Glas. Mit dem Gerüst erhöht sich die mechanische Beständigkeit der Zelle jedoch um den Faktor 30. Sie verleiht der Zelle chemische und mechanische Stabilität, sodass die Forscher sie berühren können, ohne dass sie bricht, und sie hohen Temperaturen mit geringerer Wahrscheinlichkeit aussetzen können Verschlechterung.
Bei einer Beleuchtung von unten sind die hexagonalen Gerüste in den mit einer Silberelektrode beschichteten Bereichen der Solarzelle sichtbar. (Dauskardt Lab / Stanford University) Forscher der Universität Tokio untersuchten 2009 erstmals die Perowskit-Photovoltaikzelle als Alternative zur Silizium-Photovoltaikzelle, und Forscher auf der ganzen Welt sprangen ins Feld. Perowskit-Solarzellen haben sicherlich ihre Vorteile. Im Gegensatz zu Siliziumzellen, für deren Reinigung und Kristallisation eine Hochtemperaturbehandlung erforderlich ist, sind Perowskit-Solarzellen relativ einfach herzustellen.
"Dies ist ein Durchbruch in einem Bereich der Perowskitforschung, da es Probleme löst, mit denen Konzepte im Frühstadium auf dem Weg zur Kommerzialisierung konfrontiert sind", sagt Dick Co, Leiter der Abteilung Operations und Öffentlichkeitsarbeit am Argonne-Northwestern Solar Energy Research Center (ANSER). Trotzdem räumt er ein, dass die Entwicklung nicht für alle Perowskit-Solarzellenforschungen universell anwendbar ist. Es gibt so viele Möglichkeiten, Perowskitsolarzellen herzustellen, und jedes Labor hat seinen eigenen Schwerpunkt.
Da die kristallinen Strukturen aus verschiedenen Elementen bestehen können, gibt es auch viele ästhetische Möglichkeiten. Die Solarzellen können in Fenster, Autodächer oder andere Oberflächen eingebaut werden, die Licht ausgesetzt sind. Einige Firmen drucken sogar die Zellen.
Co vermutet, dass Perowskit-Solarzellen zunächst Nischenmärkte beeinflussen werden.
"Ich konnte sehen, wie sie auf iPad-Tastaturladegeräten, die in Gebäude integriert sind, und vielleicht auch auf Kraftfahrzeugen wie der gebogenen Motorhaube eines Autos verkauft werden", sagt er. "Es ist jedoch schwer vorstellbar, eine [Prototyp-] Perowskit-Solarzelle in der Größe eines Miniaturbilds herzustellen, die groß und weit verbreitet ist, insbesondere wenn Silizium-Solarfabriken genug Module auspumpen, um kleine Länder abzudecken."
Trotzdem sind die Forscher auf dem Weg, mit Verbesserungen in Bezug auf Effizienz und Haltbarkeit eine Zelle für die Stromerzeugung in vielen Umgebungen vorzubereiten. Die Forscher haben ein vorläufiges Patent angemeldet.
In der neuen Solarzelle wird Perowskit (schwarz) mithilfe eines hexagonalen Gerüsts (grau) in Mikrozellen aufgeteilt, um mechanische und chemische Stabilität zu gewährleisten. (Dauskardt Lab / Stanford University) Im Dauskardt-Test erreichten die Zellen einen Wirkungsgrad von 15 Prozent, der viel höher ist als der erste Test im Jahr 2009, bei dem 4 Prozent des Lichts in Elektrizität umgewandelt wurden. Der Wirkungsgrad von Silizium-Panels liegt bei 25 Prozent, und im Labor haben Perowskite mehr als 20 Prozent erreicht. Forscher haben die theoretische Effizienzkapazität von photovoltaischen Perowskiten auf etwa 30 Prozent geschätzt.
Dauskardt glaubt, dass sein Team möglicherweise das Gerüst verbessern kann, das ursprünglich aus billigen, leicht verfügbaren Materialien hergestellt wurde, um die Effizienz der Zelle zu steigern.
„Wir waren so überrascht, dass wir so einfach wie möglich einen machen konnten. Die Frage ist nun, gibt es bessere Gerüste, die wir verwenden können? Wie können wir das Licht, das auf die Gerüstwand fallen würde, wieder einfangen? “, Sagt Dauskardt. Er und seine Kollegen planen, mit lichtstreuenden Materialien zu experimentieren.
Mit dem Potenzial für eine kostengünstige Herstellung, einer relativ schnellen Kommerzialisierung (Dauskardt schätzt in den nächsten drei bis fünf Jahren) und erstaunlich vielfältigen Anwendungen könnte die Perowskit-Solarzelle gerade das nächste große Solarmodul der 2020er Jahre und darüber hinaus sein.
Wenn Ihnen diese Fliege ins Ohr surrt, können Sie sicher sein, dass die Natur in all ihren Formen inspiriert.
