Haltbare Aluminiumoxid-Nanopartikel verlängern die Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen um das Zehnfache

Ein Team innovativer Forscher hat gerade eine Studie veröffentlicht, die zeigt, wie Aluminiumoxid-Nanopartikel die Lebensdauer von Solarmodulen um das Zehnfache verlängern können. Da die Weltgemeinschaft ihrem Ziel näher kommt, in den nächsten Jahrzehnten Netto-Null-Kohlenstoffemissionen zu erreichen, gibt es einen starken Druck, erneuerbare Energien auf den Markt zu bringen. Erneuerbare Energien wie Windturbinen und Solarmodule bieten eine zuverlässige, saubere Energielösung. Diese Geräte sind jedoch nicht perfekt und ihre Leistung lässt mit der Zeit nach.

Arten von Sonnenkollektoren

Die Solarmodultechnologie entwickelt sich ständig weiter. Heute gibt es vier Haupttypen von Solarmodulen auf dem Markt: PERC, monokristalline, polykristalline und Dünnschichtmodule. Diese Optionen haben ihre Vor- und Nachteile in Bezug auf Effizienz, Lebensdauer, Größe und Haltbarkeit.

PERC (Passivierter Emitter und hintere Zelle)

PERC-Solarmodule verfügen über ein zweischichtiges Design zur Maximierung der Effizienz. Insbesondere kann dieser Solarmodultyp mit diesem Aufbau eine Effizienz von über 20 % erreichen. Es bietet eine mittlere Haltbarkeit und Lebenserwartung. Es ist jedoch die teuerste Option auf der Liste und daher für die meisten Hausbesitzer nicht ideal.

Einkristallin

Monokristalline Module sind eine weitere teure Option mit einem Wirkungsgrad von 20 %. Dieses Modul verwendet Siliziumkristalle als Grundmaterial. Diese Konfiguration bietet die längste Lebenserwartung der vier Optionen, erhöht aber auch die Gesamtkosten dieser Module.

Quelle – ACS

Polykristalline

Polykristalline Module werden durch das Zusammenschmelzen von Siliziumfragmenten hergestellt. Dieser Ansatz senkt die Herstellungskosten und macht diese Option erschwinglicher. Diese Einheiten sind jedoch größer als ihre Gegenstücke und weniger effizient. In den meisten Fällen liegt ihr Wirkungsgrad im Durchschnitt bei 15 %.

Dünnschichtplatten

Dünnschichtmodule bieten den niedrigsten Wirkungsgrad, sind dafür aber am flexibelsten und kostengünstigsten. Diese Module findet man in Wohnmobilen und anderen Bereichen, in denen der Platz begrenzt ist. Dünnschichtmodule können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Zwei gängige Optionen sind CdTe (Cadmiumtellurid) und a-Si (amorphes Silizium).

Perowskit-Solarzellen (PSCs)

Perowskit-Solarzellen sind der modernste Solarmodultyp, der heute verwendet wird. Diese siliziumbasierten Module bieten hohe Effizienz bei leichtem, kompaktem Design. Um diese Aufgabe zu erfüllen, enthalten sie selbstassemblierte Monoschichten (SAMs), um die Leistung zu verbessern, ohne die Preise in die Höhe zu treiben.

Probleme mit PSCs

PSCs haben noch immer viele Nachteile. Zum einen leiden sie wie andere Paneloptionen unter Jodlecks. Aufgrund chemischer Reaktionen innerhalb dieser Materialien entsteht im Laufe der Zeit molekulares Jod, was den Abbauprozess beschleunigt und die Leistung verringert.

Studie zu Aluminiumoxid-Nanopartikeln

Ingenieure der University of Surrey sind sich des mangelnden Verständnisses des Einflusses molekularer Modifikatoren auf die elektrischen und elektronischen Nanoeigenschaften des Perowskits und die Gerätestabilität bewusst und haben daher eine neuartige Methode vorgeschlagen, um die Lebenserwartung und Leistung dieser Geräte zu verbessern.

Der Bericht "Verbesserte Stabilität und elektronische Homogenität in Perowskit-Solarzellen durch eine nanotechnologisch hergestellte vergrabene Oxid-Zwischenschicht"¹ Die in EES Solar veröffentlichte Studie enthüllt die Funktionsweise dieser Materialien während des Degradationsprozesses und ermöglicht es Ingenieuren, Oberflächenmodifikatoren besser zu verstehen und zu verstehen, wie sie zur Verbesserung zukünftiger Geräte eingesetzt werden können. Im Rahmen der Studie testete das Team zunächst die Haltbarkeit der wichtigsten Solarmodultypen im Vergleich zueinander.

PFN–Br

Dieser Polymerelektrolyt wird häufig in PSCs verwendet. Er bietet zuverlässige Leistung und eine mittlere Lebensdauer. Das Team entschied sich für dieses Material, da es als das fortschrittlichste auf dem heutigen Markt gilt.

Nanopartikel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃)

Im Rahmen ihrer Forschung entwickelten die Ingenieure Nanopartikel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃). Diese winzigen Partikel wurden entwickelt, um Jod abzufangen, das im Laufe der Zeit im Solarmodul freigesetzt wird. Ziel war es, zu verhindern, dass Jod in den Rest der Zelle gelangt und die Leistung beeinträchtigt.

2D-Perowskite

Um diese Aufgabe zu erfüllen, entwickelten die Ingenieure eine 2D-Perowskit-Barriere gegen Feuchtigkeit. Diese Barriere verhinderte das Eindringen von Fremdstoffen in das Panel, die zu dessen Verschlechterung führten. Diese Strategie erhöhte die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Panels.

Aluminiumoxid-Nanopartikel-Test

Um ihre Theorie zu testen, mussten die Ingenieure die Paneele unter realen Bedingungen einsetzen. Als Teil der Testphase schuf das Team extreme Hitze- und Feuchtigkeitsszenarien. Die Paneele wurden dann in diese Bereiche gelegt und getestet. Mithilfe der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) verfolgte das Team sorgfältig den Fortschritt der sich unter Stressbedingungen zersetzenden Zellen.

Kelvin-Sondenkraftmikroskopie

Von dort aus verwendeten die Ingenieure ein Kelvin-Sonden-Kraftmikroskop, um den Einfluss der Modifikatoren auf die Oberfläche und die elektronische Homogenität frischer und degradierter Proben zu überwachen. Das KPF-Mikroskop wurde verwendet, um die elektronische Oberflächenhomogenität von Perowskitfilmen zu analysieren. Dies half den Forschern zu verstehen, wie Aluminiumoxid-Nanopartikel zu verbesserter Stabilität und reduzierter Degradation beitragen, anstatt ihre Wirkung direkt zu beobachten.

Stabilitätsprüfung

Bei Stabilitätstests wurde untersucht, wie die eingekapselte Feuchtigkeitsbarriereschicht unter extremen Bedingungen standhält. Die Geräte wurden nach jedem Expositionszyklus regelmäßig getestet. Diese Strategie erleichterte den Wissenschaftlern den direkten Vergleich der einzelnen Zellen.

Testergebnisse für Aluminiumoxid-Nanopartikel

Die Testergebnisse zeigen, dass diese Technologie sehr vielversprechend ist. So produzierten die mit Aluminiumoxid-Nanopartikeln hergestellten Zellen mehr Energie und konnten leichter hergestellt werden. Diese Geräte zeigten eine hohe Leistung mit minimalem Leistungsabfall, der über 1,530 Teststunden hinweg registriert wurde.

Insbesondere wiesen die mit Nanopartikeln angereicherten Einheiten eine zehnmal längere Lebensdauer auf als ihre Vorgänger. Die Ingenieure stellten fest, dass die Al₂O₃-Nanopartikel auch zu einer gleichmäßigeren Perowskitstruktur beitrugen. Diese verbesserte Architektur führte zu weniger Defekten und einer verbesserten elektrischen Konnektivität.

Beeindruckenderweise bildeten die Nanopartikel eine 2D-Schutzschicht, die das Eindringen von Feuchtigkeit in die Einheiten verhinderte. Tests zeigten eine geringe Wasserdurchlässigkeitsrate von etwa 4 × 10−3 g pro m2 pro Tag. Daher sind die neuen Einheiten besser für widrige Wetterbedingungen und dauerhafte Installationen geeignet.

Vorteile von Aluminiumoxid-Nanopartikeln

Es gibt eine lange Liste von Vorteilen, die Aluminiumoxid-Nanopartikel zu einem sinnvollen Ersatz für andere Optionen machen. Zum einen bieten sie eine hohe Effizienz bei kleinem Formfaktor. Wer nur begrenzten Platz hat, wie etwa auf städtischen Dächern, wird von diesen Paneelen mehr profitieren.

Längere Lebenserwartung

Die Installation einer Solaranlage für Ihr Zuhause oder Ihr Unternehmen ist nicht billig. Oftmals kostet eine Anlage über 50 US-Dollar. Jede Technologie, die die Lebensdauer dieser Geräte verlängert und die Kosten senkt, wird sich schnell am Markt durchsetzen.

Günstiger zu bauen

Ein weiterer Hauptvorteil der Herstellung von Aluminiumoxid-Nanopartikel-Modulen besteht darin, dass ihre Herstellungskosten im Hinblick auf die potenzielle Verlängerung ihrer Lebensdauer geringer sind. Mit der Weiterentwicklung von Solarmodulen besteht der Trend, dass neuere Versionen deutlich mehr kosten als ihre Vorgänger. Dieser jüngste wissenschaftliche Durchbruch könnte diesen Trend umkehren und es den Herstellern ermöglichen, bessere Produkte zu geringeren Kosten anzubieten.

Aluminiumoxid-Nanopartikel-Forscher

Die Studie über Aluminiumoxid-Nanopartikel wurde von einem Team von Ingenieuren der University of Surrey durchgeführt. Als Hauptautor wird W. Hashini K. Perera genannt, zusammen mit einem Team von Mitarbeitern des National Physical Laboratory und der University of Sheffield. Nun möchte das Team seine Forschungen zur Verbesserung von Solarmodulen vorantreiben, mit dem Ziel, die Technologie so weit zu verfeinern, dass innerhalb von 2-5 Jahren kommerzielle Produkte hergestellt werden können.​

Führende Unternehmen auf dem Solarmodulmarkt

Das Rennen um saubere Energie hat zum Aufstieg mehrerer namhafter Hersteller und Marktteilnehmer für Solarmodule geführt. Von den Entwicklern neuer Technologien bis hin zu den Arbeitern, die die Module installieren, wächst der Sektor weiterhin. Hier ist ein Unternehmen, das in der Lage ist, jeden großen Durchbruch in der Solartechnologie zu nutzen und seine Erträge zu steigern.

Erste Solar, Inc.

Erste Solar Inc. (FSLR ) trat 1999 mit dem Ziel in den Markt ein, zuverlässige Solarsysteme für den globalen Markt anzubieten. Im Zuge der Umstellung auf Photovoltaikzellen (PV) wurde das Unternehmen von Solar Cells umbenannt. Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in Tempe, Arizona, und bietet eine breite Auswahl an Solarenergielösungen.

Insbesondere ist First Solar der einzige große US-Anbieter von Solarsystemen, der nicht in China produziert. Das Unternehmen stellt seine Dünnschicht-Cadmiumtellurid-Module (CdTe) in den USA her. Außerdem war First Solar eines der ersten Unternehmen, das zuverlässige Cadmiumtellurid-Solarmodule (CdTe) auf den Markt brachte.

Wer in den Solarsektor investieren möchte, sollte sich näher mit First Solar befassen. Das Unternehmen hat einen guten Ruf. Außerdem könnte es aufgrund seiner Marktpositionierung neue Technologien wie Aluminiumoxid-Nanopartikel einführen, um die Leistung seiner Produkte zu verbessern. Aus diesem Grund wird First Solar von vielen als „starker Kauf“ angesehen.

Neuigkeiten von First Solar Inc.

Aluminiumoxid-Nanopartikel machen Solarmodule widerstandsfähiger

Die Notwendigkeit, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren, hat im letzten Jahrzehnt zu einem Anstieg der Installation von Solarmodulen geführt. Diese neueste Forschung könnte die weitere Verbreitung von Solarsystemen fördern, indem sie Kosten senkt und Leistung und Lebensdauer verbessert. Daher verdient dieses Team Lob dafür, dass es die Tür für zukünftige Innovationen öffnet.

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Zitierte Studien:

^{1. Perera, WHK, Woodgate, TJ, Kim, DK, Kilbride, RC, Masteghin, MG, Smith, CTG, Hinder, SJ, Wood, S., Jayawardena, KDGI und Silva, SRP (2025). Verbesserte Stabilität und elektronische Homogenität in Perowskit-Solarzellen durch eine nanotechnologisch hergestellte vergrabene Oxid-Zwischenschicht. EES Solar. https://doi.org/10.1039/d4el00029c}