Forschung -

Barrieren in der Solarenergie lassen sich überwinden

Das ist der Wunsch für Elektronen von Festkörperforschern, die daran arbeiten, die außergewöhnliche Energie der Sonne einzufangen und in Elektrizität umzuwandeln.

Wenn es eine einfache Lösung gäbe - für all das Erfassen und Umsetzen - könnte der Wissenschaftler Brian McCandless mehr Zeit mit seinen Hobbys verbringen.

Aber er und viele andere Forscher haben sich seit Jahrzehnten der Herausforderung gestellt, den Elektronenfluss in Solarzellen zu verbessern. McCandless vom 'Institute of Energy Conversion' der University of Delaware hat sich insbesondere auf die Umwandlungseffizienz und die Kosten der Dünnfilm-Fotovoltaik konzentriert, die wettbewerbsfähige Preise für die Solarstromerzeugung bietet.

Jetzt haben McCandless und seine Kollegen vom 'National Renewable Energy Lab' (NREL) in Golden, Colorado, bedeutende Fortschritte gemacht, und zwar mit der von McCandless patentierten Erfindung, die einen Star Trek-ähnlichen Namen - ein Vapor Transport Deposition System (VTDS) - und die umfassende Zertifizierung vom NREL hat.

Damit haben sie einen neuen Weg zur Anpassung der Eigenschaften von Dünnfilmen aufgezeigt, der eine höhere Effizienz und Kostensenkung bietet und die Tür für noch größere Fortschritte öffnet.

Ihre Ergebnisse, die die Forscher mit Unterstützung des U.S. Department of Energy erzielten, wurden in "Scientific Reports" von "Nature" veröffentlicht.

Die Dünnfilmtechnologie stellt im Vergleich zu den viel häufigeren Siliziumwafern einen kleinen, aber wachsenden Anteil am Solarmarkt dar, aber Dünnfilme haben viele Vorteile gegenüber diesen Wafern.

Dünne Schichten ermöglichen eine schnelle Herstellung flexiblerer und leichterer Solarmodule und erweitern so die Möglichkeiten für Design und Anwendung.

Die sogenannte Hochwassermarke für die Dünnfilmeffizienz wurde 2016 auf 22,1 Prozent festgelegt. Nunmehr sagte McCandless, dass er über Worte nachdenkt, die er nicht leichtfertig verwendet - es ist ein lang ersehnter "technologischer Durchbruch".

Aber zuerst eine kurze Auffrischung, wie man die Energie der Sonne einfangen und verarbeiten kann, die in einer Stunde genügend Energie liefert, um unseren Planeten ein ganzes Jahr lang zu versorgen.

Die gebräuchlichste Methode zur Sonnenstrahlerfassung sind die Solarmodule, die man auf Dächern von Wohnhäusern sieht oder die in anderen Applikationen zum Himmel geneigt sind.

Speziell entwickelte Zellen auf diesen Panels - typischerweise aus Silizium - fangen die energiegeladenen Photonen ein, die in jedem Sonnenlichtfluss auf uns geworfen werden. An einem sonnigen Tag trifft etwa 1 kW Sonnenlicht auf etwa jeden Quadratmeter der Erdoberfläche.

Wenn diese Sonnenphotonen auf fotovoltaische Materialien treffen, werden sie in Elektronen und Löcher umgewandelt. Bei richtiger Lenkung im Material können sie elektrische Spannung und einen Stromfluss erzeugen, was dann zur Leistung führt.

Dünnfilmmaterialien bestehen aus Millionen von Kristallen pro Quadratzoll, die sich auf Substraten befinden. Durch Hitze als auch Druck und "Wachstum" ergeben sich Stapel, genannt Solarzellen.

Der Trick besteht darin, die Eigenschaft jedes Kristallkorns dann richtig einzustellen, wenn dieses Wachstum stattfindet.

Das neue Vapor Transport Deposition System von McCandless wird dazu verwendet, diese notwendigen Feineinstellungen während des Filmwachstums vorzunehmen, indem kleine Mengen zusätzlicher Elemente in die Kristalle des Dünnfilms bei Temperaturen integriert werden, die eine Steuerung der Eigenschaften ermöglichen und damit die Performance der Solarzelle verbessern.

Wenn die integrierten Atome aktiv sind, produzieren sie das sogenannte "Doping", das die Leitfähigkeit und die Spannung der Zelle erhöht. Nach dem Wachstum wird mit anderen Prozessen der effiziente Fluss der Elektronen zur Elektrode beschleunigt.

So ähnlich ist es, wenn man den Verkehrsfluss auf der Autobahn verbessert, indem man zum Beispiel eine neue Fahrspur eröffnet. Die richtige Mischung aus Doping und anderen Prozessen zu finden - eine, die keine weiteren Probleme schafft oder die Ausdauer dieser Elektronen beeinträchtigt - ist entscheidend.

Die Forscher verwendeten eines der bekanntesten Dünnfilmmaterialien, Kadmiumtellurid (CdTe), und testete drei Dopingszenarien und Behandlungen mit Antimon (Sb), Arsen (As) und Phosphor (P).

Jede Versuchsreihe führte zu einzigartigen Eigenschaften, und alle führten zu signifikant höheren Dopingwerten, wobei Arsen und Antimon die höchsten Werte erzielten.

"Kadmiumtellurid absorbiert Sonnenlicht wirklich, wirklich sehr gut", sagte McCandless. "Viele Eigenschaften machen es großartig. Aber wir bekamen nur etwa 0,8 V aus jeder Zelle. Mit seinen hohen Absorptionseigenschaften und der optimalen Bandlücke sollten wir in der Lage sein, 1,1 V zu erzeugen."

Beim Züchten dieser Filme gibt es jedoch thermodynamische Einschränkungen, aber auch dieses Problem wurde mit dem neuen Verfahren gelöst.

"Wenn man ein Cadmium-Tellurid-Gitter annimmt und entfernt eines der Telluriten und schiebt dafür eines dieser Elemente hinein, dann fehlt jetzt ein Elektron", erläuterte McCandless.

"Aufgrund der Thermodynamik will es nicht in diesem Zustand bleiben. Aber wenn man das Gitter einfriert, indem man es schnell genug züchtet und abkühlt, erhält man das zusätzlich fehlende Elektron - das Loch, hinter dem wir her sind - und man hat eine höhere Leitfähigkeit." In anderen Worten: Das Straßennetz der Elektronen wurde modernisiert.

Bislang war die hohe Dotierung von Kadmiumtellurid-Dünnfilmen Wissenschaftlern und Ingenieuren entgangen. Jetzt sind Spannungen über 1 V und Wirkungsgrade von 25 Prozent möglich. Der nächste Teil des Puzzles ist die Erhöhung des Elektronenflusses durch die Anpassung anderer Prozesse.

"Wir haben gezeigt, dass wir das Doping kontrolliert durchführen können", sagte er. "Jetzt wollen wir die Integrationsmenge reduzieren, indem wir weniger dieser Elemente verwenden und trotzdem den gleichen Nutzen erzielen."

Erhöhte Effizienz und Spannung werden kaskadierende Effekte erzielen, darunter eine geringere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und ein breiterer Zugang zu erneuerbaren Energien.

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