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Kaffee bringt Solarzellen auf Trab

Kaffeetasse und Solarzellen Foto: Marc Roseboro/CNSI

Wissenschaftler am California NanoSystems Institut der Universität von Kalifornien (UCLA) haben herausgefunden, dass Koffein die Hitzestabilität von Perowskit-Solarzellen verbessert.

Perowskit-Solarzellen gelten als günstige und effiziente Option für die Solarstromerzeugung der Zukunft, die ohne Silizium auskommt. Allerdings sind diese Zellen  nicht kommerziell nutzbar, auch weil sie der anhaltenden Hitze durch Sonnenlicht nicht standhalten können. "Solarzellen benötigen eine hohe thermische Stabilität, da sie ständig dem Sonnenlicht ausgesetzt sind", sagt Professor Yang Yang von der UCLA Samueli School of Engineering. "Während Perowskitzellen einerseits eine attraktive Option für Solarzellen sind, degradieren anderseits deren Materialien und werden mit der Zeit immer weniger stabil."

Die Idee, Koffein als mögliche Lösung für die thermische Instabilität von Perowskitzellen zu testen, ist nach einer Mitteilung der Universität entstanden, als ein UCLA-Absolvent mit einigen Kollegen Kaffee trank. Bei der Betrachtung der chemischen Struktur des Koffeins habe er sich gefragt, ob es mit den in Perowskitsolarzellen verwendeten Materialien interagieren könnte.

"Der Siedepunkt von Koffein liegt bei 300 Grad Celsius, was über der Betriebstemperatur von Solarzellen liegt, so dass es wie ein möglicher Kandidat erschien", sagt Wissenschaftler Rui Wang.

Um zu testen, ob Koffein die thermische Stabilität des Geräts verbessern würde, setzte das Team einer flüssigen Perowskitmischung Koffein zu. Die Lösung sei dann auf ein Indiumzinnoxidglas gegossen worden, um eine schwarze Schicht Perowskit zu bilden.

Die Forscher integrierten die Folie in eine Solarzelle und testeten ihre Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen, indem sie sie auf eine auf 85 Grad Celsius erhitzte Platte legten. Sie fanden heraus, dass die Zelle ihre thermische Stabilität für mehr als 1.300 Stunden oder etwa 55 Tage bei einem Wirkungsgrad von 86 Prozent behielt.  Zum Vergleich testete das Team auch eine koffeinfreie Perowskitsolarzelle, die nach 175 Stunden oder etwa sieben Tagen nur noch einen Wirkungsgrad von 60 Prozent hatte.

Bei der weiteren Analyse stellten sie fest, dass es eine starke Wechselwirkung - eine molekulare Sperre - zwischen dem Koffein und den Blei-Ionen gab. „Teile der chemischen Struktur des Koffeins bildeten eine sehr starke Bindung mit den Blei-Ionen und stabilisierten die Kristalle", sagt Wissenschaftler Jingjing Xue. „Die molekulare Verbindung zwischen Koffein und Blei verlangsamte auch das Wachstum von Perowskitkristallen, so dass sie sich in eine Richtung ausrichten konnten, die für den elektrischen Ladungsaustausch vorteilhaft ist."

Mit diesem Verständnis der Wirkung des molekularen Verschlusses, der durch Koffeinmoleküle erzeugt wird, könnten Forscher nun untersuchen, ob andere Chemikalien als Koffein ähnliche Effekte hervorrufen könnten, die die thermische Stabilität von Perowskizellen weiter verbessern.

"Die molekulare Sperre kann helfen, Perowskitsolarzellen in Zukunft zur Kommerzialisierung zu bringen", sagte Forschungsleiter Yang Yang. "Koffein ist die erste Verbindung, die wir identifiziert haben, aber es kann auch andere geben, die noch effizienter arbeiten können."

Die Forscher haben die Ergebnisse ihrer Untersuchungen in der Fachzeitschrift Joule publiziert.

8.5.2019 | Quelle: UCLA - pre | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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