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Der Schlüssel zu besseren Solarzellen: Höckerige Spiegel
Farbstoffsensibilisierte Dünnschichtsolarzellen sind billiger in der Herstellung als herkömmliche Siliziumzellen, aber dennoch relativ ineffizient.
Nanodome: Ein Array von 600 Nanometer breiten und 200 Nanometer hohen Quarzdomen (oben) wird in einen dünnen Titandioxidfilm gepresst, um Löcher in den Film zu prägen (unten). Das Füllen der Löcher mit Silber hilft, mehr Licht in Solarzellen auf Farbstoffbasis einzufangen.
Jetzt haben Forscher der Stanford University einen speziell entwickelten Metallreflektor verwendet, um die Effizienz von farbstoffsensibilisierten Festelektrolyt-Solarzellen um bis zu 20 Prozent zu steigern. Der Reflektor ist ein dünner Silberfilm mit einer Anordnung von nanoskaligen Erhebungen. Mit der Folie beschichten die Forscher die Rückseite der Zellen; der Film hilft, mehr Licht in den Zellen einzufangen. Wir bekommen je nach Farbstoff etwa 5 bis 20 Prozent mehr Absorption, sagt Michael McGehee , Direktor des Center for Advanced Molecular Photovoltaics in Stanford. McGehee leitete die Forschung, die diese Woche online in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Fortschrittliche Energiematerialien .
Vor kurzem feierten farbstoffsensibilisierte Dünnschichtzellen mit einem Licht-zu-Elektrizitäts-Umwandlungswirkungsgrad von rund 11 Prozent ihr kommerzielles Debüt. Sie verwenden jedoch flüssige Elektrolyte, die flüchtig sind und auslaufen können. Zellen mit Festelektrolyten haben nur Wirkungsgrade von etwa 5 Prozent gezeigt.
Sie nahmen die beste Festkörperfarbstoffzelle, die sie konnten, und machten sie besser, sagt David Ingwer , einem Chemieprofessor an der University of Washington, der Stanford-Forscher. Noch besser, sie haben es mit Technologien und Methoden gemacht, die möglicherweise in einer Produktionsumgebung verwendet werden könnten.
Farbstoffbasierte Solarzellen bestehen aus Halbleiter-Nanokristallen (typischerweise Titandioxid oder Titandioxid), die mit Farbstoffmolekülen beschichtet und – zusammen mit einem Elektrolyten – zwischen Glas- oder Kunststoffplatten eingebettet sind. Der Farbstoff absorbiert Licht und erzeugt Elektronen und positiv geladene Löcher. Die Kristalle übertragen die Elektronen auf eine Elektrode, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, während der Elektrolyt die Löcher zur anderen Elektrode trägt.
Feste Elektrolyte sind jedoch nicht so effizient wie flüssige, und die Elektronen und Löcher rekombinieren leichter. Um dies zu verhindern, ist die Titandioxidschicht sehr dünn – typischerweise zwei Mikrometer. Aber je dünner die Zellen sind, desto schneller dringt das Licht durch sie hindurch, ohne absorbiert zu werden. Die Forschungsbemühungen zur Verbesserung der Effizienz dieser Zellen konzentrierten sich typischerweise auf die Entwicklung stärkerer Farbstoffe und neuer Arten von Nanokristallen. Aber McGehee und seine Kollegen nutzten plasmonische Reflektoren, um die Effizienz ihrer Zellen zu verbessern.
Plasmonen sind die Schwingungen von Elektronen an einer Metalloberfläche, wenn sie durch Licht angeregt werden. Durch die Kontrolle der Form der Oberfläche können Sie die Art der erzeugten Plasmonen steuern, die wiederum die Wechselwirkung von Licht mit dem Material beeinflusst.
Der in Stanford hergestellte Reflektor hat Unebenheiten, die Plasmonen erzeugen, die einige der einfallenden Lichtstrahlen um 90 Grad drehen. Anstatt also vom Silber abzuprallen und die Zelle wieder zu verlassen, wird mehr Licht innerhalb der Zelle hin und her gestreut, wodurch der Farbstoff länger Zeit hat, es zu absorbieren.
Die Forscher stellten ihre Geräte her, indem sie Glas mit einer transparenten leitfähigen Elektrode beschichteten, auf der sie eine Schicht aus Titandioxid-Nanopartikeln abschieden. Dann nahmen sie ein Quarzstück, das mit 600 Nanometer breiten Kuppeln bedeckt war, und drückten es in das Titandioxid, um es mit winzigen Löchern effektiv zu prägen. Schließlich fügten sie Farb- und Silberschichten hinzu.
Dies ist das erste Mal, dass plasmonische Strukturen auf farbstoffsensibilisierte Festkörper-Solarzellen angewendet wurden, wobei von einer erheblichen Steigerung der Zelleffizienz berichtet wurde, sagt Kylie Catchpole , ein Forschungsstipendiat an der Australian National University. Catchpole nutzt lichtfangende Plasmonik, um die Effizienz anderer Arten von Dünnschichtsolarzellen zu erhöhen.
Bis die Technologie auf den Markt kommt, ist noch viel zu tun, sagt Martin Grün , der an der University of New South Wales an Lichtfallender Photovoltaik arbeitet. Green sagt, dass farbstoffsensibilisierte Zellen enormes Interesse in der akademischen Gemeinschaft geweckt haben, aber aufgrund geringer Effizienz und zweifelhafter Haltbarkeit im Vergleich zu kommerziellen Zellen [wenig] kommerzielle Auswirkungen hatten. Flüssigelektrolytzellen haben den Markt erobert, aber auch Green ist skeptisch, was ihre Aussichten angeht.
McGehee ist jedoch zuversichtlich, dass ausreichend hohe Effizienzen möglich sein werden. Die Forscher untersuchen nun Reflektoren mit Erhebungen unterschiedlicher Größe, Höhe, Abstände und Muster. Durch die Optimierung dieser Faktoren sollten sie in der Lage sein, die Lichtmenge zu erhöhen, die die Zellen absorbieren. Sie konnten auch verschiedene Farbstoffe erforschen. Es scheint definitiv einen klaren Weg zu geben, um die Effizienz über 20 Prozent zu steigern, sagt er.