Gedruckte Solarmodule könnten Strom aus bestehender Infrastruktur erzeugen

Aug 22, 2023

Swansea-Universität

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Während sich die Welt zunehmend auf die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen konzentriert, nehmen Investitionen in Solarenergie immer mehr zu. Obwohl die Technologie bereits seit einigen Jahrzehnten kommerziell verfügbar ist, wird das Tempo ihrer Einführung häufig durch Einschränkungen wie Kosten oder die mangelnde Verfügbarkeit von Land für große Solarparks verlangsamt.

Perowskit-basierte Zellen sind die neueste Ergänzung der Photovoltaik und ihre Einführung hat Forschern dabei geholfen, die Energieumwandlung von Solarzellen erheblich zu verbessern.

Forscher am Sustainable Product Engineering Centre for Innovative Functional Industrial Coatings (SPECIFIC), einem britischen Innovations- und Wissenszentrum an der Swansea University, haben perowskitbasierte Solarzellen einen Schritt weitergebracht, indem sie sie mit dem verwendeten Rolle-zu-Rolle-Herstellungsprozess kompatibel gemacht haben in der Herstellung gedruckter Solarzellen.

Es wird erwartet, dass dieser Fortschritt die Kosten für die Herstellung von Solarmodulen auf Perowskitbasis weiter senken und dadurch deren Akzeptanz verbessern wird.

Interesting Engineering sprach mit David Beynon, Senior Research Officer bei SPECIFIC. Beynon führte uns durch den herkömmlichen Produktionsprozess von Perowskit-basierten Solarzellen und erklärte, wie dieser Prozess durch etwas ersetzt werden könnte, das für den Rollendruck für die Großserienfertigung geeigneter ist.

ResearchGate

Das Interview wurde aus Gründen der Klarheit leicht bearbeitet.

Interessante Technik: Warum sind druckbare Solarzellen wichtig – welche Vorteile bieten sie gegenüber herkömmlichen Solarzellen?

David Beynon: Da wir uns von fossilen Brennstoffen abwenden, besteht ein Bedarf an kohlenstoffarmer erneuerbarer Energie, und daher wächst die Nachfrage nach Solarstromerzeugung. Silizium-Photovoltaik ist eine etablierte Technologie, deren Installation weltweit zunimmt. Allerdings sind diese Solarmodule energieintensiv in der Herstellung, starr und anfällig für Beschädigungen, insbesondere beim Transport.

Es besteht das Potenzial für Perowskit-Solarzellen, die Effizienz bestehender Silizium-PV durch die Herstellung von Silizium-Perowskit-Tandemzellen zu steigern. Darauf konzentrieren sich Unternehmen wie Oxford PV. Unsere Forschung zum Rolle-zu-Rolle-Druck von flexiblen Perowskit-Solarzellen hat jedoch den Vorteil einer kostengünstigen Großserienfertigung auf robusten flexiblen Kunststoffsubstraten, die leicht zu transportieren und einzusetzen sind.

Was ist Kohlenstoff-Elektrodentinte und wie wird sie hergestellt?

In Perowskit-Solarzellen werden typischerweise die Halbleiter- und photoaktiven Perowskitschichten abgeschieden und anschließend wird eine aufgedampfte Metallelektrode angebracht, um die Photovoltaikzelle fertigzustellen.

Die Elektrodenverdampfung, typischerweise eines Edelmetalls wie Gold, erfolgt in einer Vakuumkammer, in der das Metall erhitzt wird, bis es durch eine Maske verdampft und auf der Probe kondensiert. Dies ist ein verschwenderischer und kostenintensiver Prozess, der nicht mit dem Hochgeschwindigkeits-Rolle-zu-Rolle-Druck kompatibel ist.

Die Kohlenstoffelektrodentinte ersetzt diesen Prozess und ermöglicht den Druck des gesamten Perowskit-Gerätestapels von Rolle zu Rolle, sodass die Kunststofffolie in die Druckmaschine eingeführt werden kann und am Ende vollständige Solarzellen herauskommen.

Die Kohlenstofftinte ist speziell für die Kompatibilität mit dem Perowskit-Material und dem Schlitzdüsenbeschichtungsverfahren formuliert, indem leitfähige Kohlenstoffpartikel, Polymerbindemittel und Lösungsmittel kombiniert werden.

Die Kombination von Polymer und Lösungsmittel wird sorgfältig kontrolliert, sodass die Tinte durch den Beschichtungskopf fließen kann, um kontinuierliche Elektroden zu erzeugen, die gebildet werden, wenn das Lösungsmittel verdunstet und der leitfähige Kohlenstoff durch das Polymerbindemittel zusammengebunden bleibt.

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Welche Produktionsrate haben Sie im Labor erreicht? Wie ist der Vergleich mit herkömmlichen Produktionsmethoden?

Wir betreiben eine Rolle-zu-Rolle-Produktion im Pilotmaßstab mit einer standardisierten Verarbeitungsgeschwindigkeit von 1 m/min. Obwohl wir die Kapazität haben, den Durchsatz zu erhöhen, ergibt sich eine Produktion von 18.000 cm2 in 20 Minuten im Vergleich zum typischen Schleuderbeschichtungsverfahren, bei dem 156 cm2 erreicht werden können im gleichen Zeitrahmen beschichtet.

Selbst im Labormaßstab ist die Druckproduktionsrate 115-mal höher als bei einer herkömmlichen Perowskit-Beschichtung.

Die Effizienz der Energieumwandlung mit Perowskit-Solarzellen ist heutzutage ziemlich hoch. Hat Ihre Produktionsmethode Auswirkungen auf die Effizienz?

Unsere gesamten beschichteten Rolle-zu-Rolle-Zellen haben einen Wirkungsgrad von über 10 %, was eine großartige Leistung für diese erste Demonstration dieser Technologie ist, aber sie bleibt hinter den Rekordwirkungsgraden zurück, die jetzt für Perowskit-Solarzellen erreicht werden.

Diese Diskrepanz ist teilweise auf den Prozess, die größere Größe der Geräte und die mangelnde Selektivität bei der Probenauswahl zurückzuführen, teilweise aber auch auf unsere Philosophie, nur mit wirklich skalierbaren Systemen zu arbeiten.

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Dies schränkt die Auswahl an Chemikalien ein, da wir nur Lösungsmittel mit geringerer Toxizität verwenden und unsere Produktion vollständig in Umgebungsluft (mit Feuchtigkeitskontrolle) erfolgt, im Gegensatz zu den streng kontrollierten Trockenstickstoff-Glovebox-Umgebungen, die für Zellen mit dem höchsten Wirkungsgrad verwendet werden.

Arbeitet Ihr Team daran, die Effizienz der Solarzellen zu verbessern?

Ja, mit dieser ersten Demonstration verfügen wir über eine Plattform, die als Grundlage für verbesserte Verarbeitung, Chemie und Zwischenschichten dienen kann. Wir arbeiten daran, alle Schichten des Gerätestapels zu verbessern, einschließlich des Ersatzes des Perowskit-Materials durch leistungsstärkere Multikationen-Perowskit-Materialien.

Welche Einsparungen sind bei der Herstellung von Solarzellen mit Ihrem Verfahren zu erwarten?

Es ist schwierig, die Einsparungen einfach zu quantifizieren, da wir noch keine Skaleneffekte durch den Einkauf in den für die kommerzielle Produktion erforderlichen Mengen sehen, sondern uns im Prozess einer technisch-ökonomischen Bewertung befinden. Der Produktionsprozess ähnelt jedoch dem Bedrucken von Verpackungen, was zu äußerst geringen Kosten pro Quadratmeter führt.

Welche neuen Anwendungen sind mit Ihren druckbaren Solarzellen jetzt möglich?

Die neuen Einsatzmöglichkeiten ergeben sich aus Volumen, Flexibilität, geringem Gewicht und damit einfacher Montage. Dies ermöglicht die Nutzung von Flächen, die bisher keine Solarzellen aufnehmen konnten, insbesondere in der bebauten Umgebung durch Design und Nachrüstung zur Stromerzeugung.

Diese flexiblen Perowskit-Solarmodule könnten auf gekrümmten Oberflächen, Dächern, Fassaden und Folientunneln angebracht werden, wobei bestehende Strukturen zur Stromerzeugung genutzt werden und die Komplikationen konkurrierender Landnutzungswünsche vermieden werden.

Gannet77/iStock

Wie wollen Sie die Einführung der Technologie steigern?

Wir prüfen die Lizenzierung unserer Technologie und unterhalten strategische industrielle und akademische Partnerschaften, um die kommerzielle Einführung zu beschleunigen.

Wie war die Erfahrung, in einem multidisziplinären Team zu arbeiten?

Die Arbeit in einem multidisziplinären Team macht Freude und ist immer produktiver, wenn man mit einem Team zusammenarbeitet, das unterschiedliche Fähigkeiten und Perspektiven einbringt, um alle Bereiche miteinander zu verbinden.

Insbesondere bei diesem Projekt war es von entscheidender Bedeutung, Experten für spezielle Analysetechniken wie Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Photolumineszenz zu haben, die Expertenanalysen und neue Methoden für die Anwendung der Analyse bereitstellen, um zu verstehen, was auf atomarer Ebene in einem weiten Bereich geschieht. Anschließend wurden kritische Faktoren identifiziert, die Lösungen aus Sicht der Materialien, der Formulierung und der Verarbeitung ermöglichen.