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Durchbruch bei der Selbstorganisation ermöglicht eine kostengünstigere Solarenergieerzeugung

Selbstorganisierende Monoschichten

Material, synthetisiert von der Kaunas University of Technology (KTU), litauische Wissenschaftler selbstorganisieren sich zu einer molekular dicken Elektrodenschicht. Bildnachweis: KTU

Material, das von der Kaunas University of Technology (KTU) in Litauen synthetisiert wurde und sich selbst zu einer molekular dicken Elektrodenschicht zusammensetzt, bietet eine einfache Möglichkeit, hocheffiziente Perowskit-Single-Junction- und Tandem-Solarzellen zu realisieren.

Während der Bedarf an erneuerbaren Energien weltweit exponentiell wächst, haben litauische und deutsche Forscher eine neuartige Lösung für die Entwicklung kostengünstiger Solartechnologie entwickelt. Material, das von der Kaunas University of Technology (KTU) in Litauen synthetisiert wurde und sich selbst zu einer molekular dicken Elektrodenschicht zusammensetzt, bietet eine einfache Möglichkeit, hocheffiziente Perowskit-Single-Junction- und Tandem-Solarzellen zu realisieren. Die Lizenz zur Herstellung des Materials wurde von einem japanischen Unternehmen erworben.

Artiom Magomedov

Artiom Magomedov, Doktorand an der KTU-Fakultät für Chemische Technologie, Mitautor der Erfindung. Bildnachweis: KTU

Laut Wissenschaftlern hat es sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen, Solarzellen auf Perowskitbasis zu entwickeln, die niedrigen Preis und hohen Wirkungsgrad kombinieren. Die besondere Herausforderung bei der Massenproduktion ist der hohe Preis und die begrenzte Vielseitigkeit der verfügbaren lochselektiven Kontakte. KTU-Chemiker haben sich dieser Herausforderung gestellt.

„Das Solarelement ähnelt einem Sandwich, bei dem alle Schichten ihre Funktion haben, dh die Energie zu absorbieren, die Löcher von den Elektronen zu trennen usw. Wir entwickeln Materialien für die lochselektive Kontaktschicht, die von gebildet wird Die Moleküle der Materialien organisieren sich selbst auf der Oberfläche des Substrats “, erklärt Artiom Magomedov, Doktorand an der KTU-Fakultät für Chemische Technologie, Mitautor der Erfindung.

Entwickelte Monoschichten können als perfektes Lochtransportmaterial bezeichnet werden, da sie billig sind, durch eine skalierbare Technik gebildet werden und einen sehr guten Kontakt mit Perowskitmaterial bilden. Die selbstorganisierten Monoschichten (SAMs) sind so dünn wie 1-2 nm und bedecken die gesamte Oberfläche. Die Moleküle werden auf der Oberfläche abgelagert, indem sie in eine verdünnte Lösung getaucht werden. Die Moleküle basieren auf Carbazolkopfgruppen mit Phosphon Acid Verankerungsgruppen und können SAMs auf verschiedenen Oxiden bilden.

Laut den Wissenschaftlern hat die Verwendung der SAMs dazu beigetragen, das Problem der rauen Oberfläche der CIGS-Zelle zu vermeiden. Durch die Integration einer SAM-basierten Perowskit-Solarzelle in eine Tandemarchitektur wurde eine monolithische CIGSe / Perowskit-Tandemsolar mit einem Wirkungsgrad von 23,26% realisiert, was derzeit ein Weltrekord für diese Technologie ist. Darüber hinaus erreichte eines der kürzlich entwickelten SAMs, die in der Si / Perowskit-Tandemzelle verwendet wurden, eine nahezu rekordverdächtige Effizienz von 27,5%.

„Single-Junction- und Tandem-Solarzellen auf Perowskit-Basis sind die Zukunft der Solarenergie, da sie billiger und möglicherweise viel effizienter sind. Die Wirkungsgradgrenzen derzeit kommerziell verwendeter Solarelemente auf Siliziumbasis sind gesättigt. Darüber hinaus werden die Siliziumressourcen in Halbleiterqualität knapp und es wird immer schwieriger, das Element zu extrahieren “, sagt Professor Vytautas Getautis, Leiter der KTU-Forschungsgruppe hinter der Erfindung.

Laut Magomedov könnte die Menge an Sonnenenergie, die in einer Stunde die Erdoberfläche erreicht, ausreichen, um den jährlichen Strombedarf der gesamten Menschheit zu decken.

„Das Potenzial der Sonnenenergie ist immens“, sagt der junge Forscher.

Professor Vytautas Getautis

Professor Vytautas Getautis, Leiter der KTU-Forschungsgruppe hinter der Erfindung selbstorganisierender Monoschichtmaterialien. Bildnachweis: KTU

Mit herkömmlichen Technologien reicht 1 g Silizium (Si) aus, um nur ein paar Quadratzentimeter des Solarelements zu erzeugen. 1 g des an der KTU synthetisierten Materials reicht jedoch aus, um bis zu 1000 m2 der Oberfläche zu bedecken. Darüber hinaus ist das an der KTU synthetisierte selbstorganisierende organische Material erheblich billiger als die derzeit in Photovoltaikelementen verwendeten Alternativen.

Das Team der KTU-Chemiker untersucht seit einigen Jahren die Verwendung der selbstorganisierenden Moleküle in Solarzellen. Das an der KTU synthetisierte Material wurde in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) und den Physikern des Zentrums für Physikalische Wissenschaften und Technologie (Litauen) zur Herstellung einer funktionierenden Solarzelle verwendet.

Die Lizenz zur Herstellung des in KTU-Labors synthetisierten Materials wurde von einem japanischen Unternehmen erworben. Das Material mit den Namen 2PACz und MeO-2PACz wird bald auf dem Markt erscheinen. Dies bedeutet, dass innovative Technologien unter Verwendung selbstorganisierender Verbindungen in den besten Labors der Welt weiter erforscht werden und schließlich Eingang in die Industrie finden können.

Referenz: „Konforme Monoschichtkontakte mit verlustfreien Grenzflächen für Perowskit-Single-Junction- und monolithische Tandemsolarzellen“ von Amran Al-Ashouri, Artiom Magomedov, Marcel Roß, Marko Jošt, Martynas Talaikis, Ganna Chistiakova, Tobias Bertram, José A. Márquez, Eike K. Ernestas Kasparavičius, Sergiu Levcenco, Lidón Gil-Escrig, Charles J. Hages, Rutger Schlatmann, Bernd Rech, Tadas Malinauskas, Thomas Unold, Christian A. Kaufmann, Lars Korte, Gediminas Niaura, Vytautas Getautis und Steve Albrecht, 2. Oktober 2019. Energie- und Umweltwissenschaftene.
DOI: 10.1039 / C9EE02268F

Die von KTU-Forschern (korrespondierender Autor Artiom Magomedov) gemeinsam verfasste Arbeit „Konforme Monoschichtkontakte mit verlustfreien Grenzflächen für Perowskit-Single-Junction- und monolithische Tandem-Solarzellen“ wurde am 2. Oktober 2019 in veröffentlicht Energie- und Umweltwissenschaften (IF 33.250).