Neue Methode hilft zu erklären, wie Solarzellen sich selbst reparieren können … mithilfe von Sonnenlicht
Forscher der UNSW haben ein Verfahren entwickelt, mit dem genau festgestellt werden kann, wie Solarzellen durch ultraviolette Strahlung beschädigt werden – und was passiert, wenn sie sich dank der Sonne auf natürliche Weise wieder erholen.
Ingenieure der UNSW Sydney haben eine Methode entwickelt, um Solarzellen während ihres Betriebs auf mikroskopischer Ebene zu überwachen – um genau herauszufinden, wie Schäden durch ultraviolettes Licht auf natürliche Weise repariert werden können.
Die neue Überwachungsmethode ermöglicht es Experten, chemische Veränderungen im Inneren hocheffizienter Silizium-Solarzellen direkt zu beobachten, während diese unter UV-Einwirkung zerfallen. Dies dürfte wiederum dazu beitragen, Verfahren zu entwickeln, mit denen sich die Zellen unter normalem Sonnenlicht regenerieren können.
Die von Scientia-Professor Xiaojing Hao geleitete Forschung, die in einem neuen Fenster geöffnet wird und in Energy & Environmental Science veröffentlicht wurde, könnte die Art und Weise, wie Solarmodule für den langfristigen Einsatz im Freien getestet, konstruiert und zertifiziert werden, erheblich verändern.
„Diese neue Methode kann direkt in der Produktionslinie eingesetzt werden, um schnell zu überprüfen, wie gut Solarzellen UV-Schäden widerstehen, was sie für die zukünftige Qualitätskontrolle während der Herstellung nützlich macht“, sagt Prof. Hao.
Silizium-Solarzellen leiden unter einer Verringerung ihrer Effizienz und Leistung im Laufe der Zeit aufgrund der Einwirkung von ultravioletter Strahlung – bekannt als ultraviolettinduzierte Degradation (UVID).
Einige frühere Studien haben gezeigt, dass der Leistungsabfall nach einer Beschleunigungstestdauer von 2000 Stunden UV-Strahlung bis zu 10 % betragen kann.
Photovoltaik-Experten wissen seit langem, dass Solarzellen einen Teil dieser Leistungseinbußen wieder wettmachen können, wenn sie während des normalen Betriebs dem Sonnenlicht ausgesetzt sind – allerdings wurde diese Erholung nur in Bezug auf die elektrische Leistung beobachtet, und es blieb ein Rätsel, was tatsächlich im Inneren des Materials vor sich ging.
Ohne dieses Verständnis war es schwierig zu bestimmen, ob UV-bedingte Leistungsverluste dauerhaft sind, wie schwerwiegend sie sind und wie gut die aktuellen Teststandards die realen Bedingungen widerspiegeln.
Das von der UNSW geleitete Team, darunter Dr. Ziheng Liu, öffnet sich in einem neuen Fenster, Dr. Pengfei Zhang und Dr. Caixia Li, ging diese Herausforderung an, indem es eine neue, zerstörungsfreie Überwachungstechnik entwickelte, mit der Veränderungen auf Materialebene im Inneren einer funktionierenden Solarzelle verfolgt werden können.
Sie verwendeten eine Technik namens Ultraviolett-Raman-Spektroskopie, bei der ein Material identifiziert wird, indem es mit einem Laser bestrahlt und die Streuung des Lichts analysiert wird, um die molekularen Schwingungen des Materials aufzudecken.
Mit dieser Methode konnten die Forscher die chemischen Bindungen in der Nähe der Oberfläche der Solarzelle beobachten, während diese UV-Licht ausgesetzt war und sich unter sichtbarem Licht erholte. Die Zelle blieb dabei jederzeit intakt. Die Technik kann für Zellen verwendet werden, die unter realistischen Bedingungen betrieben werden.
Diese Technik funktioniert ähnlich wie eine Kamera. Anstatt nur zu messen, wie viel Strom die Zelle produziert, können wir direkt in Echtzeit sehen, wie sich das Material selbst verändert. Dr. Ziheng Liu | Korrespondierender Autor des Artikels in Energy & Environmental Science
„Normalerweise können wir nur die Leistungsabgabe messen. Das wurde bereits von vielen Menschen beobachtet, aber mit dieser neuen Methode erklären wir auch den Mechanismus und können die Veränderung auf Materialebene sehen“, fügte Dr. Liu hinzu.
Bisher mussten für die Untersuchung solcher Prozesse die Zellen zerlegt oder indirekte elektrische Messungen durchgeführt werden, sodass es unmöglich war, reversible Veränderungen zu beobachten, während sie auftraten.
Mit der neuen Überwachungsmethode konnten die Forscher beobachten, wie die chemischen Veränderungen abliefen, und besser verstehen, wie die Schäden durch normales Licht repariert wurden.
Auf mikroskopischer Ebene verändert UV-Licht bestimmte chemische Bindungen zwischen Wasserstoff-, Silizium- und Boratomen in der Nähe der Zelloberfläche. Dies schwächt die Qualität der Oberflächenschicht und verringert die Leistung. Entscheidend war, dass das Team diese Bindungsänderungen zum ersten Mal direkt beobachten konnte.
Als die Zelle später normalem sichtbarem Licht ausgesetzt wurde, konnten die Forscher beobachten, wie die chemische Struktur in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrte. Wasserstoffatome wanderten zurück zur Oberfläche, gebrochene Bindungen wurden repariert und das Material erholte sich.
„Dies bestätigt, dass die Wiederherstellung nicht nur ein elektrischer Effekt ist“, sagte Dr. Liu von der School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering der UNSW, öffnet in einem neuen Fenster. „Das Material selbst repariert sich auf atomarer Ebene.“
Warum die Überwachungsmethode wichtig ist
Die Möglichkeit, reversible Materialveränderungen direkt zu beobachten, hat erhebliche Auswirkungen auf die Solarindustrie.
Solarzellen werden anhand von beschleunigten Alterungstests zertifiziert, bei denen die Zellen über kurze Zeiträume intensiver UV-Strahlung ausgesetzt werden, um den jahrelangen Einsatz im Freien zu simulieren. Wenn ein Degradationsprozess jedoch unter normalem Sonnenlicht reversibel ist, können solche Tests den Verlust überschätzen und dauerhafte Schäden verursachen, die unter realen Außenbedingungen nicht auftreten würden.
Durch die genaue Aufdeckung, welche Veränderungen vorübergehend und welche dauerhaft sind, bietet die neue Überwachungsmethode eine wissenschaftliche Grundlage für die Verbesserung dieser Tests.
„Dieser Ansatz hilft, zwischen echter langfristiger Degradation und reversiblen Veränderungen zu unterscheiden“, sagte Dr. Liu. „Diese Unterscheidung ist für eine genaue Lebensdauerprognose unerlässlich.“
Über die wissenschaftlichen Erkenntnisse hinaus bietet die Überwachungstechnik praktische Vorteile.
Herkömmliche UV-Degradationstests können Tage oder Wochen dauern und erfordern oft zerstörende Analysen. Im Gegensatz dazu kann die Raman-basierte Methode die UV-Empfindlichkeit in Sekundenschnelle erkennen, ohne die Solarzelle zu beschädigen.
Dank dieser Schnelligkeit und Realitätsnähe eignet sie sich gut für den Einsatz in der Fertigung, wo schnelles Feedback entscheidend ist. Die Forscher sagen, dass die Methode zum Screening neuer Materialien, Verarbeitungsbedingungen oder Designänderungen verwendet werden könnte, bevor die Zellen zu vollständigen Solarmodulen verarbeitet werden.
In Zukunft könnte sie sogar für die Inline-Qualitätskontrolle angepasst werden, sodass Hersteller potenzielle UV-bedingte Probleme frühzeitig in der Produktion erkennen können.
Unterstützung für ein besseres Design von Solarmodulen
Die Überwachungsmethode hilft auch zu erklären, warum einige Solarzellen stärker als andere degradieren.
Durch die direkte Beobachtung von Veränderungen auf Materialebene zeigten die Forscher, wie Designentscheidungen wie die Dicke der Passivierungsschicht oder die Eigenschaften der Oberflächenbeschichtung die Bewegung von Wasserstoff während der UV-Exposition und der Erholung beeinflussen können. Dieses Wissen würde es den Herstellern ermöglichen, fundierte Kompromisse zwischen Spitzenwirkungsgrad, Haltbarkeit und Kosten zu finden.
Wichtig ist, dass die Studie – unterstützt vom ARC Research Hub for Photovoltaic Solar Panel Recycling and Sustainability (PVRS) – zeigt, dass eine Solarzelle, die sich vorübergehend verschlechtert, sich dann aber wieder erholt, tatsächlich eine teurere Konstruktion übertreffen kann, die über ihre gesamte Lebensdauer hinweg grundsätzlich UV-beständiger ist.
„Diese Arbeit gibt uns ein klareres Bild davon, wie sich Solarzellen in der Praxis verhalten“, sagt Prof. Hao. „Mit besseren Überwachungsinstrumenten können wir bessere Tests, bessere Paneele und letztlich zuverlässigere Solarenergiesysteme entwickeln.“
Quelle
UNSW Sydney 2026 | Translated with www.DeepL.com/Translator
