5 Minuten
Perowskit-Zellen, die Innenlicht ernten, könnten viele Geräte batteriefrei machen
Forscher haben miniaturisierte Perowskit-Solarzellen entwickelt, die Umgebungslicht im Innenraum in nutzbare Elektrizität umwandeln können und dabei eine deutlich höhere Effizienz erreichen als herkömmliche siliziumbasierte Indoor-Photovoltaik. Veröffentlicht am 30. April in Advanced Functional Materials, zeigt die Studie, dass speziell angepasste Perowskit-Zusammensetzungen Energie unter typischer Bürobeleuchtung einfangen und ihre Leistung über Monate halten können, was einen möglichen Weg zu batteriefreien Peripheriegeräten wie Tastaturen, Alarmen, drahtlosen Sensoren und anderen energiearmen Internet-of-Things-(IoT)-Geräten eröffnet.
Wissenschaftlicher Hintergrund: Warum Perowskite drinnen funktionieren
Perowskite sind eine Klasse kristalliner Materialien, die bereits intensiv für Solaranwendungen untersucht werden, weil sie Licht effektiv absorbieren und sich mit kostengünstigen, lösungsbasierten Verfahren herstellen lassen. Im Unterschied zu herkömmlichen Siliziumzellen, die für starkes Sonnenlicht optimiert sind, lassen sich Perowskit-Formulierungen so abstimmen, dass sie das niedrigintensive, diffuse Licht aufnehmen, das typisch für Innenräume ist. Das Forschungsteam berichtet, dass ihre optimierten Perowskit-Zellen bei 1.000 Lux — etwa der Beleuchtung in einem gut beleuchteten Büro — eine Leistungsumwandlungseffizienz von 37,6 % erreichten und unter denselben Innenraumbedingungen rund sechsmal effektiver waren als vergleichbare siliziumbasierte Zellen.
Wesentliche Materialien und das Leistungsproblem
Eine Einschränkung von Perowskit-Materialien waren strukturelle Defekte, sogenannte 'Traps' — winzige Fehlstellen im Kristallgitter, an denen Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) immobilisiert werden. Traps verringern sowohl die momentane elektrische Leistung als auch die Langzeitstabilität, weil sie den gleichmäßigen Ladungstransport im Material unterbrechen. Um diese Hürden zu überwinden, veränderte das Team die Perowskit-Chemie und den Verarbeitungsprozess, um die Dichte der Fallen zu reduzieren und ionische Komponenten zu stabilisieren, die im Laufe der Zeit wandern oder sich segregieren können.
Versuchsdetails und Zusammensetzungsstrategien
Um Defekte zu reduzieren und die Stabilität zu verbessern, führten die Forscher eine Kombination aus Additiven und Oberflächenbehandlungen ein. Rubidiumchlorid wurde eingesetzt, um ein gleichmäßigeres Kristallwachstum zu fördern und dadurch die Dichte der Trap-Stellen zu senken. Zwei organische Ammoniumsalze — N,N-Dimethyloctylammoniumiodid (DMOAI) und Phenethylammoniumchlorid (PEACl) — wurden angewendet, um Iodid- und Bromidionen im Perowskitgitter zu stabilisieren und so eine Ionensegregation zu verhindern, die üblicherweise zu Degradation führt. Die Autoren beschreiben diese Schritte als Wiederherstellung der Kontinuität im Ladungstransportnetz des Materials, einen Effekt, den sie mit dem Zusammensetzen eines zerbrochenen Kuchens vergleichen, damit elektrische Ladung leichter hindurchfließen kann.
Nach diesen chemischen und verarbeitungstechnischen Optimierungen behielten die Geräte nach 100 Tagen kontrollierter Tests 92 % ihrer Anfangsleistung. Ein Kontroll-Perowskitgerät ohne die Defekt-Reduktionsmaßnahmen hielt im selben Zeitraum nur 76 % seiner Ausgangsleistung, was den stabilisierenden Nutzen des neuen Ansatzes belegt.
Auswirkungen auf Unterhaltungselektronik und IoT
Energiearme Elektronik ist eine große und wachsende Produktklasse, die derzeit auf Einweg- oder wiederaufladbare Batterien angewiesen ist. Studienmitautor Mojtaba Abdi Jalebi, Associate Professor für Energiewerkstoffe am Institute for Materials Discovery des University College London, merkt an, dass Milliarden kleiner Geräte häufige Batteriewechsel erfordern — eine Praxis mit steigenden Umweltkosten, da sich IoT-Einsätze ausweiten. Indem Komponenten Energie aus Umgebungs-Innenlicht gewinnen, könnten Perowskit-Indoor-Photovoltaiksysteme Batterieabfall reduzieren, Besitzkosten senken und das Gerätdesign vereinfachen.
Zu den potenziellen Vorteilen der Technologie zählen geringe Herstellungskosten, die Verwendung erdreicher Rohstoffe und die Kompatibilität mit druckbasierten Produktionstechniken ähnlich dem Zeitungsdruck. Das Forschungsteam führt bereits Gespräche mit Industriepartnern über Skalierung und Kommerzialisierungswege, um die Laborergebnisse in marktfähige Produkte zu überführen.
Verwandte Technologien und Zukunftsaussichten
Die Energiegewinnung im Innenraum ergänzt andere Dünnschicht- und Nanopartikel-Ansätze, die darauf abzielen, Oberflächen in kleinskalige Energieerzeuger zu verwandeln — von ultradünnen Solarbeschichtungen für Handyhüllen bis zu nanopartikelverstärkten PV-Folien für Fahrzeuge. Die Kombination von Perowskit-Indoorzellen mit energieeffizienter Elektronik, Superkondensatoren oder Mikroenergiespeichern könnte selbstversorgende Geräte schaffen, die nie einen externen Batterieaustausch benötigen. Zu den verbleibenden Hürden zählen die Langzeitstabilität unter realen Bedingungen (Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, mechanische Belastung) und eine sichere, skalierbare Fertigung, die den Umgang mit toxischen oder flüchtigen Ausgangsstoffen kontrolliert.
Fachliche Einschätzung
Dr. Elena Vasquez, Materialwissenschaftlerin an einem großen Forschungsinstitut, kommentierte die Bedeutung der Studie: 'Das Erreichen von nahezu 40 % Effizienz unter typischer Innenraumbeleuchtung ist ein bemerkenswerter Meilenstein. Die hier angewandte Kombination aus Defektpassivierung und Ionstabilisierung adressiert zwei der hartnäckigsten Schwachstellen von Perowskiten: Ladungstrapping und ionische Migration. Dennoch wird die Demonstration einer mehrjährigen Zuverlässigkeit in Alltagsumgebungen der entscheidende nächste Schritt sein, bevor wir eine breite Anwendung in der Unterhaltungselektronik erwarten können.'
Praktische Überlegungen und nächste Schritte
Selbst bei vielversprechenden Laborergebnissen stehen noch mehrere Überführungsschritte an. Die Geräteverpackung muss die Perowskit-Schichten vor Feuchtigkeit und mechanischen Schäden schützen und dabei kostengünstig bleiben. Hersteller müssen die Lebenszykluseffekte im Vergleich zu aktuellen Batterieversorgungen und Recyclingwegen bewerten. Das Forschungsteam plant, skalierbare Abscheidungstechniken zu optimieren und Industriepartnerschaften zu verfolgen, um Module für Praxistests in Wohnungen und Büros zu pilotieren.
Fazit
Die neuen Perowskit-Indoor-Solarzellen zeigen einen glaubwürdigen Weg auf, kleine Elektronikgeräte mit Umgebungsraumlicht zu betreiben. Durch die Reduzierung von Fallen-bedingten Defekten und die Stabilisierung ionischer Komponenten haben die Forscher sowohl die Effizienz als auch die kurzfristige Haltbarkeit deutlich verbessert und 37,6 % Umwandlung bei 1.000 Lux sowie 92 % Leistungsretention nach 100 Tagen erreicht. Wenn Hersteller die Produktion hochfahren und die Langzeitzuverlässigkeit bestätigen können, könnten Perowskit-basierte Indoor-Photovoltaiksysteme eine praktikable, kostengünstige Lösung werden, um die Batteriezahlen in einem breiten Spektrum von IoT- und Haushaltsgeräten zu reduzieren.
Quelle: livescience
Kommentare