Zerbrechende Rekorde: Koreanische Wissenschaftler erreichen 21,68% Effizienz in transparenten Solarzellen

Das Korea Institute of Energy Research hat die halbtransparente Perowskit-Solarzellentechnologie erheblich weiterentwickelt, einen weltweit führenden Wirkungsgrad von 21,68 % erreicht und eine außergewöhnliche Haltbarkeit bewiesen. Dieser Durchbruch, der darauf abzielt, die Anwendung von Solarzellen in Fenster- und Tandemkonfigurationen zu verbessern, geht auf die wichtigsten Herausforderungen bei der Erreichung der CO2-Neutralität bis 2050 ein. Durch innovative Forschung hat das Team die Stabilität und Effizienz dieser Zellen verbessert und damit einen wesentlichen Beitrag zum Solarbereich geleistet Energie. Bildnachweis: Korea Institute of Energy Research

Die Photovoltaik-Forschungsabteilung des Korea Institute of Energy Research hat in Zusammenarbeit mit dem KIER Energy AI and Computational Science Lab Fortschritte bei der Verbesserung der Haltbarkeit und Leistung von halbtransparenten Perowskit-Solarzellen erzielt. Diese Zellen sind vielversprechend für Anwendungen im Fensterbau und bei der Entwicklung von Tandem-Solarzellen.

Die semitransparenten Solarzellen erreichten einen rekordverdächtigen Wirkungsgrad von 21,68 % und sind damit die effizientesten unter den Perowskit-Solarzellen mit transparenten Elektroden weltweit. Darüber hinaus zeigten sie eine bemerkenswerte Haltbarkeit, wobei über 99 % ihrer ursprünglichen Effizienz nach 240 Betriebsstunden erhalten blieben.

Um bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen, liegt der Schlüssel in der Erreichung einer „ultrahohen Effizienz“ und der „Diversifizierung der Anwendungsbereiche“ der Solarzellentechnologie der nächsten Generation sowie der Überwindung von Einschränkungen bei Installationsräumen und nationaler Landfläche. Dafür sind effiziente und multifunktionale Technologien wie Tandem-Solarzellen und Solarzellen für Fenster erforderlich. Für beide Technologien werden hocheffiziente und stabile semitransparente Perowskit-Solarzellen benötigt.

Für die Herstellung der semitransparenten Perowskit-Solarzellen ist es notwendig, die Metallelektroden herkömmlicher undurchsichtiger Solarzellen durch transparente Elektroden zu ersetzen, die Licht durchlassen. Bei diesem Prozess werden hochenergetische Partikel erzeugt, die zu einer Verschlechterung der Leistung der Lochtransportschicht führen.

Perowskit-Solarzelle, halbtransparente Perowskit-Solarzelle, Perowskit-Si-Tandemsolarzelle von links. Bildnachweis: Korea Institute of Energy Research

Um dies zu verhindern, wird üblicherweise eine Metalloxidschicht abgeschieden, die als Puffer zwischen der Lochtransportschicht und der transparenten Elektrodenschicht fungiert. Im Vergleich zu undurchsichtigen Solarzellen, die unter gleichen Bedingungen hergestellt wurden, sind jedoch die Ladungstransporteigenschaften und die Stabilität der semitransparenten Geräte verringert, und die genauen Ursachen und Lösungen sind nicht geklärt.

Die Forscher nutzten elektrooptische Analysen und Computerwissenschaften auf atomarer Ebene, um die Ursachen für die verringerten Ladungstransporteigenschaften und die verringerte Stabilität zu identifizieren, die bei der Herstellung semitransparenter Perowskit-Solarzellen auftreten. Dabei entdeckten sie, dass Lithiumionen (Li), die zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Lochtransportschicht hinzugefügt wurden, in die als Puffer dienende Metalloxidschicht diffundieren und letztendlich die elektronische Struktur der Metalloxid-Pufferschicht so verändern, dass sie abgebaut wird seine Eigenschaften.

Zusätzlich zur Identifizierung der Ursache lösten die Forscher das Problem, indem sie die Oxidationszeit der Lochtransportschicht optimierten. Sie fanden heraus, dass die Umwandlung von Lithiumionen in stabiles Lithiumoxid (LixOy) durch optimierte Oxidation die Diffusion von Lithiumionen abschwächt und dadurch die Stabilität des Geräts erhöht. Diese Entdeckung zeigt, dass Lithiumoxid, das bisher als einfaches Nebenprodukt einer Reaktion galt, eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung von Effizienz und Stabilität spielen kann.

Ahn SeJin, Ahn Seung-kyu, Yim Kanghoon von links und Naqvi Syed Dildar Haider im Kreis. Bildnachweis: Korea Institute of Energy Research

Das entwickelte Verfahren führte zu semitransparenten Perowskit-Solarzellen mit einem beeindruckenden Wirkungsgrad von 21,68 %, dem höchsten aller Perowskit-Solarzellen mit transparenten Elektroden. Darüber hinaus zeigte diese Untersuchung eine beeindruckende Beibehaltung von über 99 % seiner ursprünglichen Effizienz über 400 Stunden bei dunkler Lagerung und über 240 Stunden unter kontinuierlich beleuchteten Betriebsbedingungen, was seine herausragende Effizienz und Stabilität unterstreicht.

Das Forschungsteam ging noch einen Schritt weiter und verwendete die entwickelten Solarzellen als oberste Zelle von Tandem-Solarzellen und schuf so die ersten bifazialen Tandem-Solarzellen des Landes, die sowohl von der Rückseite reflektiertes als auch von der Vorderseite einfallendes Licht nutzen. In Zusammenarbeit mit Jusung Engineering Co., Ltd. und dem Deutschen Forschungszentrum Jülich erreichten die bifazialen Tandemsolarzellen hohe bifaziale äquivalente Wirkungsgrade von 31,5 % für Konfigurationen mit vier Anschlüssen und 26,4 % für Konfigurationen mit zwei Anschlüssen unter Bedingungen, bei denen das reflektierte Licht von den Hinten gab es 20 % des normalen Sonnenlichts.