de.wedoany.com-Bericht: Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Ein Auto steht in der Sonne, und die Fenster sowie das Schiebedach laden nebenbei die Batterie auf. Oder Sie tragen eine intelligente Brille, deren Gläser selbst Licht sammeln und direkt die elektronischen Komponenten im Gestell mit Strom versorgen.

Mit der Entwicklung einer neuartigen, ultradünnen und transparenten Solarzelle durch Wissenschaftler der Nanyang Technological University Singapore (NTU Singapore) sind diese Science-Fiction-artigen Vorstellungen der Realität einen großen Schritt näher gekommen.

Das Forschungsteam unter der Leitung von außerordentlicher Professorin Annalisa Bruno hat eine ultradünne, transparente Perowskit-Solarzelle entwickelt. Ihre Dicke beträgt nur ein Zehntausendstel eines menschlichen Haares und ist damit fünfzigmal dünner als herkömmliche Perowskit-Zellen.

Noch bemerkenswerter ist, dass diese Zelle trotz der drastisch reduzierten Dicke einen neuen Rekord für die photoelektrische Umwandlungseffizienz bei bisherigen ultradünnen Perowskit-Solarzellen dieser Art aufgestellt hat.

Die entsprechenden Ergebnisse wurden bereits in den „ACS Energy Letters" der American Chemical Society veröffentlicht. Die Forscher sind der Ansicht, dass diese Technologie in Zukunft, ohne das ursprüngliche Erscheinungsbild wesentlich zu verändern, breite Anwendung in Gebäuden, Fahrzeugen und tragbaren Geräten finden könnte.

Die Zelle ist halbtransparent und hat einen neutralen Farbton, sodass sie in Fenster oder Gebäudefassaden integriert werden kann, wodurch das gesamte Gebäude Strom erzeugen kann, ohne dass sich sein Aussehen wesentlich ändert.

„Etwa 40 % des weltweiten Energieverbrauchs entfallen auf den Gebäudesektor. Daher wird der Marktbedarf an Technologien, die Gebäudefassaden in Stromerzeugungsträger verwandeln können, immer dringlicher", sagte außerordentliche Professorin Bruno von der School of Physical and Mathematical Sciences und der School of Materials Science and Engineering der NTU.

Professor Bruno, die auch den Cluster für erneuerbare Energien und kohlenstoffarme Lösungen sowie Energiespeicher am Energy Research Institute der NTU leitet, fügte hinzu: „Unsere Perowskit-Zelle hat klare Vorteile: Der Herstellungsprozess ist einfach und erfolgt bei niedrigen Temperaturen. Zudem kann sie je nach Bedarf so eingestellt werden, dass sie Licht bestimmter Wellenlängen absorbiert, während sie gleichzeitig transparent bleibt. Darüber hinaus besitzt sie das Potenzial für eine großflächige Massenproduktion, was die gesamten Kohlenstoffemissionen senken kann."

Im Gegensatz zu herkömmlichen Silizium-Solarmodulen können diese Perowskit-Zellen auch bei indirektem Sonnenlicht und Streulicht kontinuierlich Strom erzeugen. Dies ist besonders für dicht besiedelte städtische Umgebungen wie Singapur relevant, wo es viele Hochhäuser mit vertikalen Vorhangfassaden gibt, die häufig von Wolken bedeckt sind, sodass herkömmliche Solarmodule das Sonnenlicht oft nur schwer optimal nutzen können.

Das Forschungsteam gab als Beispiel an, dass großflächige Glasfassaden bei einer zukünftigen großflächigen Anwendung nicht mehr nur Gebäudehüllen, sondern möglicherweise zu städtischen Kraftwerken werden könnten.

Ersten Berechnungen zufolge könnte die theoretische jährliche Stromerzeugung bei Anwendung dieser Technologie auf Bürogebäude mit Glasfassaden in Gebieten wie Raffles Place oder Marina Bay mehrere hunderttausend Kilowattstunden erreichen.

Die genaue Stromerzeugung hängt von der Glasfläche und der Gebäudeausrichtung ab, aber die jährliche Erzeugungskapazität könnte ausreichen, um den gesamten jährlichen Strombedarf von etwa 100 standardmäßigen Vier-Zimmer-Wohnungen des Housing and Development Board (HDB) in Singapur zu decken.

Herstellung nahezu unsichtbarer Solarzellen

Perowskit-Solarzellen bestehen tatsächlich aus mehreren Schichten, deren Kernstück eine Halbleiterschicht ist, die Sonnenlicht absorbiert und in elektrische Energie umwandelt.

Um diese ultradünne Zelle herzustellen, verwendete das NTU-Team ein industriell kompatibles Herstellungsverfahren, nämlich die thermische Verdampfung. Einfach ausgedrückt wird das Ausgangsmaterial zunächst in einer Vakuumkammer erhitzt, bis es verdampft, und dann auf einer Substratoberfläche kondensiert und abgeschieden, wodurch ein extrem dünner Film entsteht.

Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass sie eine gleichmäßige und dünne Perowskit-Schicht auf großen Flächen abscheiden kann. Der gesamte Prozess erfordert keine giftigen Lösungsmittel, reduziert gleichzeitig Defekte im Inneren der Zelle und verbessert so die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung.

Durch präzise Einstellung der Prozessparameter gelang es den Forschern, die Dicke der Perowskit-Schicht zu kontrollieren und sowohl undurchsichtige als auch halbtransparente Zellbauteile herzustellen.

Das Team gab an, dass dies die weltweit erste ultradünne Perowskit-Solarzelle ist, die vollständig mit einem Vakuumverfahren hergestellt wurde. Dies bedeutet, dass diese Technologie der zukünftigen großflächigen industriellen Massenproduktion einen großen Schritt näher gekommen ist.

Mit dieser Technologie gelang es den Forschern, die absorbierende Perowskit-Schicht auf nur 10 Nanometer Dicke zu reduzieren, während sie dennoch eine beachtliche Stromerzeugungsleistung beibehielt.

Bei einer Perowskit-Schichtdicke von 10 nm, 30 nm bzw. 60 nm erreichten die undurchsichtigen Zellen photoelektrische Umwandlungswirkungsgrade von etwa 7 %, 11 % bzw. 12 %.

Eine halbtransparente Zelle mit einer Dicke von 60 nm erzielte bei einer Durchlässigkeit für etwa 41 % des sichtbaren Lichts dennoch einen Wirkungsgrad von 7,6 %.

Das Forschungsteam gab an, dass diese Leistung bereits zu den führenden Werten bei vergleichbaren halbtransparenten Perowskit-Solarzellen gehört.

Dies bedeutet, dass zukünftige Gebäudefenster sowohl die Lichtdurchlässigkeit und Transparenz bewahren als auch gleichzeitig Strom erzeugen könnten. Dies ist von großer Bedeutung für Solarfenster, Glasfassaden oder getönte Gebäudeaußenflächen.

Dr. Luke White, Erstautor der Studie und ehemaliger Doktorand am Energy Research Institute der NTU, sagte: „Durch die präzise Kontrolle des thermischen Verdampfungsprozesses konnten die Forscher die Transparenz der Solarzelle frei einstellen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für grüne Gebäude, wie zum Beispiel den Einbau von getönten Fenstern, die sowohl Schatten spenden als auch Strom erzeugen."

Professor Sam Stranks von der University of Cambridge, Fachbereich Chemieingenieurwesen und Biotechnologie, Lehrstuhl für Energiematerialien und Optoelektronik, kommentierte als externer Experte: „Diese Methode bietet eine hervorragende Kontrolle über die Dicke und Gleichmäßigkeit der dünnen Schichten, was eine entscheidende Voraussetzung für die zukünftige großflächige Kommerzialisierung halbtransparenter Solarzellen ist."

„Halbtransparente Perowskit-Zellen sind ein vielversprechender technologischer Ansatz, der es uns ermöglicht, Energie an Orten zu sammeln, an denen herkömmliche Siliziummodule nur schwer eingesetzt werden können, wie zum Beispiel an Fenstern, Außenwänden oder sogar leichten elektronischen Geräten."

„Die aktuellen Forschungsergebnisse zeigen einen guten Kompromiss zwischen Transparenz und Stromerzeugung. Was jedoch letztendlich über die praktische Umsetzbarkeit der Technologie entscheiden wird, ist ihre Leistungsfähigkeit in Bezug auf Langzeitstabilität, Haltbarkeit und Anwendung auf großen Flächen."

Kontinuierliche Energieversorgung für Städte

Professor Bruno forscht seit langem auf dem Gebiet der Perowskit-Solarzellen. Ihre früheren Arbeiten zu thermisch verdampften Perowskit-Zellen haben bereits den Weg zur Industrialisierung geebnet. Dies hat nicht nur die gesamte Branche vorangebracht, sondern auch den Weg für eine zukünftige industrielle Umsetzung geebnet.

Diese Innovationen von ihr wurden auch durch das Innovations- und Unternehmertumsprogramm der Nanyang Technological University (NTU) stark unterstützt. Dieses Programm zielt darauf ab, Forschungsteams dabei zu helfen, die Umsetzung von Spitzentechnologien vom Labor in die industrielle Anwendung zu beschleunigen.

Derzeit hat das Team bereits über die Technologietransfergesellschaft der Universität, NTUitive, ein Patent für diese neuartige Struktur der ultradünnen Perowskit-Dünnschicht angemeldet.

Die Forscher stehen nun in Kontakt mit Unternehmen, um das in dieser Studie verwendete thermische Verdampfungsverfahren zu validieren und zu standardisieren. Vor der offiziellen Markteinführung müssen sie noch die Langzeitstabilität, Haltbarkeit und die Leistungsfähigkeit der Zellen bei der großflächigen Produktion verbessern.

Da Städte immer dichter besiedelt werden und der Strombedarf steigt, werden Gebäude neu definiert: Sie sind nicht länger nur Energieverbraucher, sondern potenzielle Produzenten sauberer Energie.

Heutzutage sind Solarmodule auf Dächern bereits weit verbreitet, aber die vertikalen Flächen von Gebäuden, wie Fenster und ganze Glasfassaden, stellen noch ein riesiges, unerschlossenes Potenzial dar.

Dieser Durchbruch stellt einen entscheidenden Schritt zur Integration transparenter Solarzellen in Gebäude, Fahrzeuge und tragbare Geräte dar. Dies bedeutet auch, dass zukünftige Städte ohne zusätzliche Flächeninanspruchnahme mehr sauberen Strom selbst erzeugen könnten.

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