Die Solarenergie gilt als eine der saubersten und ergiebigsten Energiequellen. Im Laufe der Jahre haben Forscher und Wissenschaftler unermüdlich an der Verbesserung von Technologien zur Umwandlung von Solarenergie gearbeitet, um sie effizienter, kostengünstiger und nachhaltiger zu machen. Einer der jüngsten Durchbrüche bei der Umwandlung von Solarenergie war die Entdeckung der Perowskite und ihrer einzigartigen Eigenschaften.

Verständnis der Perowskite und ihrer einzigartigen Eigenschaften

Perowskite haben in der wissenschaftlichen Gemeinschaft für Aufsehen gesorgt, insbesondere im Bereich der Solarenergie. Ihre einzigartigen Eigenschaften machen sie zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Bevor wir uns mit den Vorteilen von Perowskiten in der Solarenergie beschäftigen, sollten wir zunächst verstehen, was Perowskite sind und wie ihre Kristallstruktur aussieht.

Was sind Perowskite?

Perowskite sind eine Mineralart, die erstmals im frühen 19. Jahrhundert im Uralgebirge in Russland entdeckt wurde. Das Mineral wurde nach Lev Perovski benannt, einem russischen Mineralogen, der es als Erster identifizierte. Seitdem haben Wissenschaftler diese Mineralien eingehend untersucht und ihre einzigartigen Eigenschaften festgestellt.

Perowskite sind eine Gruppe von Materialien, die die gleiche Kristallstruktur wie das Mineral Perowskit haben. Sie haben die allgemeine chemische Formel ABX3, wobei A und B Kationen sind und X ein Anion ist. Bei Perowskiten ist das Kation A in der Regel ein Alkali- oder Erdalkalimetall, das Kation B ist in der Regel ein Übergangsmetall und das Anion X ist in der Regel Sauerstoff.

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Die Kristallstruktur von Perowskiten

Die Kristallstruktur von Perowskiten besteht aus einer Kombination von Metallkationen, Sauerstoffatomen und Halogeniden wie Jod oder Brom. Diese einzigartige Anordnung der Atome verleiht den Perowskiten ihre einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. eine hohe Lichtabsorptionskapazität und eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit.

Die Kristallstruktur von Perowskiten lässt sich als dreidimensionales Netz aus über Eck angeordneten BX6-Oktaedern darstellen, wobei sich die A-Kationen in den Hohlräumen zwischen den Oktaedern befinden. Die Oktaeder sind verzerrt, was zu den einzigartigen Eigenschaften der Perowskite führt.

Die wichtigsten Vorteile von Perowskiten in der Solarenergie

Die einzigartigen Eigenschaften von Perowskiten machen sie zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Einige der Vorteile von Perowskiten in der Solarenergie sind:

• Hohe Lichtabsorptionsfähigkeit: Perowskite haben eine hohe Lichtabsorptionskapazität, das heißt, sie können mehr Sonnenlicht absorbieren als herkömmliche Solarzellen.
• Niedrige Herstellungskosten: Perowskite können mit kostengünstigen Materialien und Verfahren hergestellt werden, was ihre Produktion billiger macht als die herkömmlicher Solarzellen.
• Fähigkeit, auf flexiblen Substraten abgeschieden zu werden: Perowskite können auf flexiblen Substraten abgeschieden werden, was sie ideal für den Einsatz in flexiblen Solarzellen und anderen Anwendungen macht.
• Hoher Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung: Perowskite haben einen hohen Wirkungsgrad, d. h. sie können einen höheren Prozentsatz des Sonnenlichts in Strom umwandeln als herkömmliche Solarzellen.

Perowskite sind noch eine relativ neue Technologie, und es gibt einige Probleme, die gelöst werden müssen, bevor sie auf breiter Basis eingesetzt werden können. So sind Perowskite beispielsweise nicht so stabil wie herkömmliche Solarzellen und können sich mit der Zeit abbauen, wenn sie Feuchtigkeit und Hitze ausgesetzt werden. Die Forscher arbeiten jedoch an der Entwicklung stabilerer Perowskite, die rauen Umweltbedingungen standhalten können.

Die Entwicklung der Solarenergieumwandlungstechnologien

Seit der Entdeckung des photovoltaischen Effekts Ende des 19. Jahrhunderts haben sich die Technologien zur Umwandlung von Sonnenenergie stark weiterentwickelt. Der photovoltaische Effekt wurde erstmals 1839 vom französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel beobachtet, aber erst in den 1950er Jahren begannen Wissenschaftler, praktische Anwendungen dafür zu entwickeln.

Im Laufe der Jahre haben Forscher verschiedene Arten von Solarzellen entwickelt, die jeweils ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen haben. Einige der am häufigsten verwendeten Solarzellen sind:

Herkömmliche Silizium-Solarzellen

Herkömmliche Silizium-Solarzellen sind der am häufigsten verwendete Solarzellentyp für kommerzielle Anwendungen. Sie sind für ihre hohe Effizienz, Haltbarkeit und lange Lebensdauer bekannt. Silizium-Solarzellen absorbieren Photonen von der Sonne und wandeln sie in Strom um. Dieser Vorgang ist als photovoltaischer Effekt bekannt.

Ihre hohen Herstellungskosten und die Tatsache, dass sie starr und schwer sind, schränken jedoch ihre breite Anwendung ein. Silizium-Solarzellen sind außerdem empfindlich gegenüber hohen Temperaturen und Abschattung, was ihre Effizienz verringern kann.

Dünnschicht-Solarzellen

Dünnschicht-Solarzellen werden durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus Halbleitermaterial auf ein Substrat hergestellt. Sie sind viel leichter und flexibler als Silizium-Solarzellen und können zu niedrigeren Kosten hergestellt werden. Dünnschicht-Solarzellen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, darunter amorphes Silizium, Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid.

Ihr Wirkungsgrad ist jedoch geringer als der herkömmlicher Silizium-Solarzellen, und sie können sich schnell abnutzen. Dünnschicht-Solarzellen sind auch empfindlicher gegenüber hohen Temperaturen und Abschattung als Silizium-Solarzellen.

Das Aufkommen von Perowskit-Solarzellen

Perowskit-Solarzellen sind eine relativ neue Art von Solarzellen, die aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer niedrigen Herstellungskosten die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen haben. Perowskit-Solarzellen werden hergestellt, indem eine Schicht aus Perowskit-Material auf ein Substrat aufgebracht wird, das flexibel und leicht sein kann.

Perowskit-Solarzellen haben das Potenzial, effizienter zu sein als herkömmliche Silizium-Solarzellen, wobei einige Forschungsgruppen Wirkungsgrade von über 25 % melden. Perowskit-Solarzellen sind auch billiger in der Herstellung als Silizium-Solarzellen, da sie mit einfachen Lösungsverfahren hergestellt werden können.

Perowskit-Solarzellen befinden sich jedoch noch im Anfangsstadium der Entwicklung, und die Forscher arbeiten an der Verbesserung ihrer Stabilität und Haltbarkeit. Perowskit-Solarzellen sind außerdem feuchtigkeitsempfindlich und können sich schnell zersetzen, wenn sie nicht geschützt werden.

Wie Perowskit-Solarzellen funktionieren

Perowskit-Solarzellen sind eine vielversprechende Technologie auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien. Sie funktionieren nach dem Prinzip des photovoltaischen Effekts, bei dem Licht in elektrische Energie umgewandelt wird. Ermöglicht wird dieser Prozess durch die einzigartigen Eigenschaften von Perowskiten.

Perowskite sind eine Klasse von Materialien, die eine ähnliche Kristallstruktur wie das Mineral Perowskit aufweisen. Sie sind für ihre hervorragenden Lichtabsorptionseigenschaften und ihre hohe Lichtleitfähigkeit bekannt, was sie ideal für den Einsatz in Solarzellen macht.

Die Grundstruktur einer Perowskit-Solarzelle

Eine typische Perowskit-Solarzelle hat eine sandwichartige Struktur, die aus mehreren Schichten besteht. Die erste Schicht ist eine transparente Elektrode, die in der Regel aus Indiumzinnoxid besteht. Diese Schicht lässt das Licht durch und erreicht die Perowskit-Schicht.

Die Perowskit-Schicht ist das Herzstück der Solarzelle. Sie ist dafür verantwortlich, das Licht zu absorbieren und ein Elektron-Loch-Paar zu erzeugen. Das Elektronen-Loch-Paar wird dann durch das elektrische Feld getrennt, das durch die verschiedenen Schichten der Solarzelle erzeugt wird.

Die Elektronentransportschicht ist die nächste Schicht in der Solarzelle. Ihre Aufgabe ist es, die Elektronen zur Kontaktelektrode zu transportieren, wo sie gesammelt und zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden können.

Die letzte Schicht ist die Kontaktelektrode, die für das Sammeln der Elektronen und ihre Weiterleitung an einen externen Stromkreis verantwortlich ist. Hier wird die elektrische Energie erzeugt und genutzt.

Die Rolle der Perowskite bei der Lichtabsorption

Eine der wichtigsten Funktionen von Perowskiten in der Solarenergie ist ihre Fähigkeit, ein breites Spektrum an Lichtwellenlängen zu absorbieren. Diese Eigenschaft ist auf die Kristallstruktur von Perowskiten zurückzuführen, die es ihnen ermöglicht, Licht effizient zu absorbieren. Dies führt zu einer hohen Effizienz bei der Umwandlung von Licht in Energie und macht Perowskit-Solarzellen zu einer der vielversprechendsten Technologien für erneuerbare Energien.

Ladungstrennung und -transport in Perowskit-Solarzellen

Nachdem das Licht von der Perowskit-Schicht absorbiert wurde, entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Das elektrische Feld, das durch die verschiedenen Schichten der Solarzelle erzeugt wird, trennt dann das Elektron und das Loch. Die Elektronen wandern dann durch die Elektronentransportschicht und erzeugen einen elektrischen Stromfluss.

Der von der Perowskit-Solarzelle erzeugte elektrische Strom kann zum Betrieb elektronischer Geräte verwendet oder in Batterien für eine spätere Verwendung gespeichert werden. Dies macht Perowskit-Solarzellen zu einer hervorragenden Option für erneuerbare Energiequellen, die Haushalte, Unternehmen und sogar ganze Städte mit Strom versorgen können.

Fortschritte bei der Effizienz von Perowskit-Solarzellen

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile stehen Perowskit-Solarzellen vor Herausforderungen wie Stabilitätsproblemen und geringer Haltbarkeit. Forscher haben daran gearbeitet, diese Herausforderungen zu bewältigen und ihre Effizienz zu verbessern.

Überwindung von Stabilitätsproblemen

Eine der größten Herausforderungen für Perowskit-Solarzellen ist ihre geringe Stabilität, insbesondere unter rauen Umweltbedingungen. Die Forscher haben jedoch erhebliche Fortschritte bei der Verbesserung ihrer Stabilität gemacht, indem sie Zusatzstoffe, Verkapselungsmaterialien und andere Schutzschichten eingeführt haben.

Verbesserung der Lichtabsorption und des Ladungstransports

Die Forscher haben auch an der Verbesserung der Lichtabsorptionskapazität und der Ladungsträgerbeweglichkeit von Perowskit-Solarzellen gearbeitet, um ihre Effizienz zu erhöhen. Zu den verwendeten Techniken gehören die Einführung neuer Materialien und die Optimierung der Dicke und Zusammensetzung der Schichten in der Solarzelle.

Tandem-Solarzellen: Die Kombination von Perowskiten mit Silizium

Einer der vielversprechendsten Ansätze zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Perowskit-Solarzellen besteht darin, sie mit herkömmlichen Silizium-Solarzellen zu kombinieren. Tandem-Solarzellen , die Perowskite und Silizium kombinieren, können einen viel höheren Wirkungsgrad erzielen als jede der einzelnen Zellen für sich.

Fazit

Perowskite versprechen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und niedrigen Herstellungskosten eine Revolutionierung der Solarenergieumwandlungstechnologien. Forscher arbeiten kontinuierlich an der Verbesserung ihrer Effizienz und Stabilität, was sie zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen macht.