Entwicklung von Tandem-Solarzellen mit 33,7% Wirkungsgrad: Neuer Roboter bringt Forschung 14 mal schneller voran

Solarzellen aus Silizium und Perowskit werden als Tandem-Solarzellen bezeichnet und sind besonders effizient, da sie das Sonnenspektrum besser ausnutzen, aber auch kostengünstig herzustellen sind. Für Tandemzellen gibt es eine theoretische Wirkungsgrad-Grenze von bis zu 45 Prozent, die bisher nicht annähernd erreicht werden konnte.

Ein koreanisches Forschungsinstitut hat 2020 eine Perowskit-Solarzelle mit 25 Prozent Wirkungsgrad zertifiziert. In Verbindung mit Silizium konnte der Wirkungsgrad jedoch auf 33,5 Prozent gesteigert werden, wie der Solarmodulhersteller Longi Anfang dieses Jahres mit seinen Silizium-Perowskit-Tandemsolarzellen auf der Fachmesse Intersolar 2023 gezeigt hat. Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien stellten im Juni sogar einen neuen Wirkungsgrad-Rekord von 33,7 Prozent auf.

Bei der Verbesserung von Tandem-Solarzellen geht es vor allem darum, geeignete Materialien für die Herstellung von Perowskit zu finden, das sich durch eine besondere Kristallstruktur auszeichnet. Es kommen eine Vielzahl von Materialien in Frage, die optimal aufeinander geschichtet werden müssen, wobei jede Schicht einen bestimmten Anteil des Sonnenlichts einfängt. Perowskit in flüssiger Form lässt sich beispielsweise auf Oberflächen aufsprühen, drucken oder streichen.

Automatisierte Suche nach Chemikalien

Zu den Herausforderungen bei der Herstellung von Perowskit-Solarzellen gehören die geringe Stabilität, die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, aber auch die Vermeidung umweltschädlicher Elemente wie Blei. Die Vorhersage der Eigenschaften der chemischen Zusammensetzung ist sehr schwierig, langwierig und kostspielig. Um die Suche nach geeigneten Materialien zu beschleunigen, setzen Forscher der North Carolina State University nun einen Roboter namens RoboMapper ein: 

Jedes Mal, wenn wir diese Technologie verbessern, haben wir es mit Materialvarianten zu tun. Wir müssen also in der Lage sein, neue Materialien zu entwickeln und diese Materialien zu bewerten. Jeder, der mit diesen Materialien zu tun hat, muss eine sich wiederholende, sehr arbeitsintensive Arbeit leisten.

- Aram Amassian, Professor an der NCSU und leitender Forscher des Projekts

Amassians Team hat den RoboMapper entwickelt, der aus Chemikalien Hunderte verschiedener Proben herstellt, die Perowskite bilden können, und diese Proben auf ein Gitter aufträgt. Anschließend werden sie von den Forschern getestet. Die Arbeit des Roboters ermöglicht eine erhebliche Energieeinsparung, aber auch eine immense Zeitersparnis, die bei einem Faktor von 14 im Vergleich zur manuellen Untersuchung liegt. Im Vergleich zu automatisierten Methoden wie Computersimulationen liegt die Zeitersparnis bei einem Faktor 9, da etwa mehr Daten aus der realen Welt verwendet werden können:

Um zum Beispiel maschinelles Lernen und KI-Modelle zu trainieren, brauchen wir mehr Daten. Und wir brauchen Daten von höherer Qualität.

- Aram Amassian