Forscher entwickeln Perowskit-Solarzellen für Energie-autonomen Drohnenbetrieb
Inspektionsdrohnen etwa sollen möglichst lange in der Luft bleiben. Perowskit-Solarmodule könnten ein Schlüssel für einen Energie-autonomen Dauerbetrieb sein.
Die Mini-Drohne der JKU. Die Perowskit-Solarmodule sind ringförmig angeordnet.
(Bild: JKU)
Ein Forschungsteam der Johannes Kepler University Linz (JKU) hat Bleihalogenid-Perowskit-Solarzellen entwickelt, die Akkus von Mini-Quadcoptern auch im Flug aufladen und bei Weiterentwicklung einen Energie-autonomen Betrieb ermöglichen sollen. Die Perowskit-Solarmodule sind sehr dünn und leicht.
Die Forscher testeten verschiedene Kombinationen von Alpha-Methylbenzylammoniumiodid (MBA) in der obersten Perowskit-Absorberschicht. Dabei übernahm die Polymermischung aus zwei Ionomeren PEDOT:PSS (Polypolystyrolsulfonat) die Funktionen des Lochtransports und der Elektrode. Die längste Lebensdauer ergab eine MBA-Kombination mit Cäsium, schreiben die Wissenschaftler in ihrem wissenschaftlichen Paper "Flexible quasi-2D perovskite solar cells with high specific power and improved stability for energy-autonomous drones", das in Nature Energy veröffentlicht ist.
Die Elektronentransportschicht besteht aus Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) mit einer Titanoxid-Zwischenschicht und einem oberen Metallkontakt. Der kann aus Gold, Chrom-Gold oder kostengünstig aus Aluminium hergestellt werden.
Im Ergebnis erstellten die Forscher eine transparente, leitoxidfreie Polymerfolie mit einer Dicke von 1,4 μm, die von einer 100 nm dicken Aluminiumschicht überzogen ist, die per Atomlagenabscheidung (ALD) aufgetragen wurde. Sie soll als Schutz vor Feuchtigkeit und Gase von außen dienen, denn eine Verkapselung würde die Dicke und das Gewicht des Solarmoduls unnötig erhöhen. So bleibt es dagegen leicht und flexibel.
Forscher der JKU entwickelten zwei Solarzellen mit einer Größe von 0,1 cm² und 1,0 cm². Die kleinere Variante hat eine Leerlaufspannung von 1,13 V, eine Kurzschlusstromdichte von 21,6 mA pro cm², einen Füllfaktor von 74,3 Prozent und einen Wirkungsgrad von 18,1 Prozent. Die besten Zellen erzielten eine Leerlaufspannung von 1,15 V, einen Füllfaktor von 78 Prozent und einen Wirkungsgrad von 20,1 Prozent.
Für die viermotorige Elektrodrohne nutzten die Wissenschaftler zunächst die großflächigere Variante. Sie erreicht eine mittlere Leerlaufspannung von 1,11 V, eine Kurzschlussdichte von 20 mA pro cm², einen Füllfaktor von 65,9 Prozent und einen Wirkungsgrad von 14,7. Die besten Zellen erreichten mit 16,3 Prozent einen etwas höheren Wirkungsgrad.
Für das Solarmodul der nur 13 g schweren Drohne schalteten die Forscher 24 der 1 cm² großen Solarzellen zusammen. Das Gewicht des Solarmoduls beträgt lediglich ein 400-stel des Gesamtgewichts des Quadcopters, wie die Wissenschaftler schreiben.
Perowskit-Solarmodule im Feldversuch
Die Drohne probierten die Wissenschaftler im Freien aus, um sie realen Bedingungen auszusetzen und ihre Dauerflugfähigkeit zu testen. Nach 50 Stunden erreichten die Solarmodule bei kontinuierlichem Maximum Power Point Tracking (MPPT) an Umgebungsluft noch 74 Prozent der ursprünglichen Leistung. Die Variante mit kleineren Solarzellen erzielte sogar 90 Prozent. Die erreichte Leistung der Perowskit-Solarmodule wurden von einem externen Labor bestätigt, schreiben die Wissenschaftler.
Das Ergebnis ihrer Forschung sehen die Forscher hin zu einem Schritt zur Entwicklung eines Ladesystems für Drohnen, die dauerhaft betrieben werden können. Auch terrestrische Anwendungen der Perowskit-Solarzellen seien denkbar.
Das Forschungsteam arbeitet bereits an Verbesserungen der Perowskit-Solarzellen. Sie wollen nun die AIOx-Barrieresubstrat-Technik weiterentwickeln. Hinzu kommen Verbesserungen bei den Abscheidetechniken, um größere Zellen herstellen und nahezu beliebig skalieren zu können. Die Forscher streben hier zunächst eine Größe von 10 cm² an, die in Robotern und autonomen Fahrzeugen eingesetzt werden können.
(olb)