Pfefferminz-Öl und Walnuss-Aroma verbessern Solarzellen

Jeden Augenblick erreichen etwa 125 Millionen Gigawatt Sonnenenergie die Erde. Diese Energiemenge entspricht umgerechnet 100 Billionen Tonnen Erdöl – mehr als das fünffache Fassungsvermögen der Ostsee – und übersteigt den jährlichen Weltenergiebedarf um den Faktor 8.000. Ein Grund mehr für Solarzellen.

Während einfache Solarzellen jedoch nur einen kleinen Teil der Sonnenenergie in Strom umwandeln können, nutzen effizientere Zellen meist umweltschädliche Stoffe dafür. Forscher der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Pohang (Südkorea) haben nun mit Pfefferminzöl und Lebensmittelzusätzen mit Walnussaroma den Produktionsprozess von hocheffizienten Perowskit-Solarzellen verbessert und das Auslaufen von Schadstoffen verhindert.

Die Veröffentlichung der Ergebnisse in der Online-Version von Advanced Energy Materials, einer der prominentesten Zeitschriften im Energiebereich, erregte viel Aufmerksamkeit.

Solarzellen mit über 20 Prozent Wirkungsgrad: Walnussaroma besser als Pefferminzöl

Wesentlicher Bestandteil einer Solarzelle ist eine photoaktive Schicht, die Sonnenlicht absorbiert und in elektrische Energie umwandelt. Die effizienteren Perowskit-Solarzellen verwenden dafür eine Kombination aus billigen anorganischen und organischen Materialien mit Kristallstrukturen, die eine sehr gute Absorption von Licht ermöglichen.

Das Problem ist jedoch, dass ihre Produktion chemische Lösungsmittel erfordert, die Menschen und Natur schaden. Außerdem enthalten diese Zellen Blei, das mit fortschreitendem Alter auslaufen kann. Aus diesem Grund haben die Perowskit-Solarzellen noch keinen Zugang zur Massenproduktion erhalten.

Das Forschungsteam um Prof. Taiho Park und Doktorand Junwoo Lee entwickelte daher neuartige Polymere, die die bisher verwendeten toxischen Chemikalien ersetzen könnten. Diese Polymere können in Pfefferminzöl (3-Methylcyclohexanon) oder aromatischen Lebensmittelzusätzen aus Walnüssen (2-Methylanisol) gelöst werden. Sie verbessern die Transportmöglichkeiten innerhalb der Solarzelle und können auslaufendes Blei in der gelartigen Struktur der Zelle einfangen.

Die Perowskit-Solarzellen ohne chemische Zusätze erreichten bei der Verwendung von Pfefferminzöl als Lösungsmittel einen Wirkungsgrad von 19,9 Prozent, respektive 21,2 Prozent bei der Verwendung von Walnussaroma. Die besten konventionellen Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 29,15 Prozent.

Hohe Haltbarkeit und weniger Giftstoffe

Darüber hinaus haben konventionelle Perowskit-Solarzellen den Nachteil, dass sie eine geringe Stabilität gegenüber Feuchtigkeit aufweisen. Bei Vorhandensein von Wasser nimmt der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad dramatisch ab, so die Forscher.

Die neu entwickelten Polymere haben diesen Nachteil jedoch überwunden. Auch nach 30 Tagen behielten die Pfefferminz- und Walnuss-Zellen 88 Prozent ihrer Effizienz bei und wiesen eine hohe Stabilität auf. Zudem gelang es ihnen, die Polymere mit einem „Laderaum“ zu versehen und das Auslaufen von Blei zu verhindern.

Mit anderen Worten, sie fanden eine Lösung für die chronischen Umweltprobleme der Perowskit-Zellen durch Bleileckagen.

Dazu sagte Lee: „Wenn wir ein grünes Lösungsmittel im Produktionsprozess verwenden und das Austreten von Blei in gealterten Perowskit-Solarzellen verhindern, können wir die Umweltprobleme der hocheffizienten Perowskit-Solarzellen lösen und sie in Massenproduktion herstellen.“

„Unsere Forschung zeigte den weltweit höchsten Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen, die einen umweltfreundlichen Prozess ohne Zusatz von toxischen Substanzen durchlaufen haben“, ergänzte Professor Park. „Wir gehen davon aus, dass dies eine Lösung für das Auslaufen von Blei aus den herkömmlichen Perowskit-Solarzellen sein kann, das den menschlichen Körper schädigt oder Umweltprobleme verursacht.“

(Mit Material der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Pohang (POSTECH))