Forschung -

Zweischichtige Solarzelle bietet sehr effiziente Energieerzeugung

Materialwissenschaftler der 'UCLA Samueli School of Engineering' haben eine hocheffiziente Dünnschichtsolarzelle entwickelt, die dank ihres zweischichtigen Aufbaus mehr Energie aus Sonnenlicht erzeugt als typische Solarpanele.

Das neue Element besteht aus einer dünnen Schicht Perowskit - einer kostengünstigen Verbindung aus Blei und Jod, die sich als sehr effizient bei der Energiegewinnung aus Sonnenlicht erwiesen hat - auf eine handelsübliche Solarzelle gesprüht wird.

Die Solarzelle, die die unterste Schicht des Elementes bildet, besteht aus einer Verbindung aus Kupfer, Indium, Gallium und Selenid, kurz CIGS genannt.

Die neue Zelle wandelt 22,4 Prozent der eintreffenden Sonnenenergie um, ein Wirkungsgradrekord der Energieumwandlung für eine Perowskit-CIGS-Tandemsolarzelle.

Die Leistung wurde durch unabhängige Tests im 'National Renewable Energy Laboratory' des US-Energieministeriums bestätigt. (Der bisherige Rekord, der im Jahr 2015 von einer Gruppe im IBM Thomas J. Watson Research Center aufgestellt wurde, lag bei 10,9 Prozent).

Die Effizienz des UCLA-Elementes ähnelt dem der Polysilizium-Solarzellen, die derzeit den Fotovoltaikmarkt dominieren. Der Forschungsbericht erschien in "Science".

"Mit unserem Tandemsolarzellendesign beziehen wir Energie von zwei verschiedenen Bereichen des Sonnenspektrums über den gleichen Elementebereich", sagte Yang. "Das erhöht die Energiemenge, die aus dem Sonnenlicht erzeugt wird, nur im Vergleich zur CIGS-Schicht."

Yang fügte hinzu, dass die Technik des Aufsprühens auf eine Perowskitschicht einfach und kostengünstig in bestehende Solarzellen-Herstellungsprozesse integriert werden könnte.

Die etwa 2 µm dicke CIGS-Basisschicht der Zelle absorbiert Sonnenlicht und erzeugt Energie für sich mit einem Wirkungsgrad von 18,7 Prozent. Aber das Hinzufügen der 1 µm dicken Perowskitschicht verbessert ihren Wirkungsgrad - ähnlich wie das Hinzufügen eines Turboladers zu einem Automotor seine Leistung verbessern kann.

Die beiden Schichten werden durch eine nanoskalige Schnittstelle miteinander verbunden, die die UCLA-Forscher entwickelt haben; die Schnittstelle hilft, dem Element zu einer höheren Spannung, wodurch die Energiemenge, die es exportieren kann, erhöht wird. Und die gesamte Baugruppe befindet sich auf einem etwa 2 mm dicken Glassubstrat.

"Unsere Technologie steigerte die vorhandene Leistung der CIGS-Solarzellen um fast 20 Prozent", sagte Yang. "Das bedeutet eine 20-prozentige Senkung der Energiekosten."

Er fügte hinzu, dass Elemente mit dem Zweischichtenaufbau letztendlich einen Wirkungsgrad von 30 Prozent erreichen könnten. Das wird das nächste Ziel der Forschungsgruppe sein.

Die Hauptautoren der Studie sind Qifeng Han, ein Gastwissenschaftler im Yang-Labor, und Yao-Tsung Hsieh und Lei Meng, die beide vor Kurzem an der UCLA promovierten. Die anderen Autoren der Studie sind Mitglieder der Yang-Forschungsgruppe und Forscher des 'Atsugi Research Centers' der Solar Frontier Corp. in Japan.

Die Forschungsarbeiten wurden von der 'National Science Foundation' und dem 'Air Force Office of Scientific Research' unterstützt. Yang und seine Forschungsgruppe arbeiten seit einigen Jahren mit Tandemsolarzellen und entwickeln unter anderem transparente Tandemsolarzellen, die in Fenstern zum Einsatz kommen können.

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