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Standardisierte Messung der Perowskit-Alterung
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der EPFL haben einen Vorschlag auf der Grundlage von Daten für die standardisierte Messung der Stabilität und des Leistungsverlusts von Perowskit-basierten Solarzellen erarbeitet. Mit der in Nature Energy veröffentlichten Studie soll ein Konsens auf diesem Gebiet erzielt und eines der grössten Hindernisse bei der Vermarktung von Fotovoltaikenergie auf Perowskit-Basis aus dem Weg geräumt werden.
Perowskit-basierte Solarzellen bieten eine Alternative zu konventionellen Silizium-Solarzellen und werden dank der Effizienz ihrer Energieumwandlung (zurzeit mehr als 22%), der niedrigeren Herstellungskosten und ihres geringeren Energiebedarfs in Zukunft zweifellos den Markt erobern. Eines der grössten Hindernisse betrifft jedoch die Stabilität. Für eine wirtschaftliche Tragfähigkeit müssen die Perowskit-basierten Solarzellen ihren Wirkungsgrad über die Zeit aufrechterhalten können und dürfen innerhalb von 25 Jahren nicht erheblich an Leistung einbüssen.
«In einer ersten Näherung sprechen wir bei den stabilsten Perowskit-Solarzellen von einer Stabilität über mehrere Jahre», sagt Konrad Domanski, Hauptautor des Artikels. «Um mit den Silizium-Solarzellen mithalten zu können, müssen wir die Stabilität verzehnfachen.»
«Die Forscherinnen und Forscher untersuchten die Auswirkungen verschiedener Umweltfaktoren auf den Alterungsprozess der Perowskit-Solarzellen, indem sie die Folgen von Beleuchtung (Wirkung eines sonnenähnlichen Lichts), Temperatur, Atmosphäre, elektrischer Ladung sowie einer systematischen Reihe von Kombinationen dieser Faktoren beobachteten.»
Kein Vergleich möglich
Während die Forschung versucht, die Stabilität von Perowskit zu verbessern, ist sie mit dem Problem konfrontiert, dass es keine allgemeine Messnorm gibt. Folglich können die Ergebnisse aus verschiedenen Laboren und Unternehmen nicht miteinander verglichen werden. Es gibt zwar Normen für andere Fotovoltaiktechnologien, die jedoch an die Perowskit-Solarzellen mit ihrem besonderen Verhalten angepasst werden müssen.
Das Labor für Photonik und Schnittstellen (LPI) von Michael Grätzel und das Labor für photomolekulare Wissenschaften (LSPM) von Anders Hagfeldt an der EPFL haben eine Studie durchgeführt, die vorschlägt, die Messungen der Stabilität von Perowskit-Solarzellen auf dem gesamten Gebiet zu standardisieren. Die Forscherinnen und Forscher untersuchten die Auswirkungen verschiedener Umweltfaktoren auf den Alterungsprozess der Perowskit-Solarzellen, indem sie die Folgen von Beleuchtung (Wirkung eines sonnenähnlichen Lichts), Temperatur, Atmosphäre, elektrischer Ladung sowie einer systematischen Reihe von Kombinationen dieser Faktoren beobachteten.
«Wir haben ein spezielles System für die Durchführung einer solchen Studie entworfen und gebaut», erklärt Domanski. «Es misst die Stabilität der Solarzellen, wobei wir die Intensität des auf die Solarzellen einwirkenden Lichts variieren und gleichzeitig die Temperatur, die Atmosphäre etc. kontrollieren können. Wir laden die Proben und programmieren die Experimente, und die Daten werden automatisch analysiert.»
Qualitätsverlust besser verstehen
Die Studie zeigt, wie bestimmte, für Perowskit-Solarzellen typische Verhaltensweisen zu einer Verschlechterung bei den Ergebnissen der Standardexperimente führen können. Wenn die Zellen beispielsweise im Dunkeln gelassen werden, können sie einen Teil der bei Tag verlorenen Effizienz zurückgewinnen und am nächsten Morgen wieder «in alter Frische» arbeiten. Da Solarzellen natürlicherweise dem Tag-Nacht-Zyklus ausgesetzt sind, hat dies bereits weitreichende Folgen für die Definition des Leistungsverlusts von Solarzellen unter realen Bedingungen.
«Die Studie könnte die Grundlagen für eine Standardisierung des Alterungsprozesses von Perowskit-Solarzellen schaffen», erklärt Wolfgang Tress, letzter Autor des Artikels. «Man könnte sie benutzen, um objektive und vergleichbare Messungen zu entwickeln, so wie die stabilisierte Stromversorgung heute ein Standardinstrument zur Bewertung der Energieumwandlung in Perowskit-Solarzellen darstellt. Vor allem aber wird die systematische Identifizierung spezifischer Qualitätsverlustfaktoren helfen, um den Leistungsabfall von Perowskit-Solarzellen besser zu verstehen und ihre Lebensdauer zu erhöhen.»
«Wir wollen keine Normen aufzwingen», betont Domanski. «Da wir an vorderster Front der Erforschung der Perowskit-Solarzellen und ihrer Stabilität arbeiten, möchten wir lieber mit gutem Beispiel vorangehen und eine Diskussion darüber anregen, wie solche Normen aussehen sollten. Wir glauben fest daran, dass spezifische Protokolle im Konsensverfahren festgelegt werden und dass zu diesem Zweck spezielle Aktionsgruppen aus zahlreichen Forscherinnen und Forschern gebildet werden.»