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Kunststoff-Solarzellen pushen
Solarzellen aus Kunststoff sind leicht, flexibel und vor allem günstig in der Herstellung. Bisher waren diese Geräte jedoch für die meisten Anwendungen zu ineffizient, um mit Siliziumsolarzellen zu konkurrieren. Nun behaupten Forscher einiger weniger Institutionen, Polymersolarzellen mit rekordverdächtigen Wirkungsgraden hergestellt zu haben. Diese Zellen sind immer noch nicht gut genug, um mit Silizium zu konkurrieren, aber die Polymereffizienz steigt jährlich um etwa 1 Prozent. Wenn sie das durchhalten, sagen die Forscher, werden Plastiksolarzellen in wenigen Jahren mit Silizium konkurrieren.
Leistungsstarke Polymere: Diese Abbildung zeigt die verschiedenen Schichten, aus denen eine neue Kunststoffsolarzelle mit nahezu perfektem internem Wirkungsgrad besteht. Von unten nach oben sind die Schichten Glas, eine transparente Elektrode, zwei Polymerschichten, eine Titanoxidschicht, die das Licht umverteilt, und eine Aluminiumelektrode.
Diese Woche in der Online-Ausgabe von Naturphotonik , berichteten Forscher über Polymersolarzellen, die etwa 6,1 Prozent der Energie des Sonnenlichts in Strom umwandeln – ein bisschen näher an den 10 Prozent, die ihrer Meinung nach benötigt werden, um auf dem Markt Fuß zu fassen. (Herkömmliche Siliziumzellen haben einen Wirkungsgrad von etwa 15 Prozent.) Die neuen Wirkungsgradzahlen zeigen, dass wir im Spiel sind, sagt Alan Heeger , Professor für Physik an der University of California, Santa Barbara, der die Forschung leitete. Heeger hat das geteilt Nobelpreis für Chemie im Jahr 2000 für seine Rolle bei der Entwicklung der ersten leitfähigen Polymere und ist Mitbegründer und leitender Wissenschaftler bei Konarka , ein Unternehmen für Kunststoffsolarzellen mit Hauptsitz in Lowell, MA.
Die Ergebnisse der kalifornischen Forscher schneiden sehr gut mit früheren veröffentlichten Beschreibungen von Polymersolarzellen ab, deren Wirkungsgrad bei etwa 5 Prozent liegt. Konarka sagt, dass die Zellen des Unternehmens, die andere Materialien verwenden als die Zellen, die in Heegers Universitätslabor hergestellt werden, kürzlich mit etwa 6,4 Prozent bewertet wurden. Und ein Konkurrent in San Mateo, CA, rief an Solarmer Energy hat laut einem angeschlossenen Forscher Plastikzellen mit ähnlicher Effizienz hergestellt.
Kunststoffsolarzellen, egal wie gut sie konstruiert sind, haben intrinsische Grenzen, die von den Polymeren diktiert werden, aus denen ihre aktive Schicht besteht. Die bisher hergestellten Polymere können nur relativ schmale Lichtbänder absorbieren. Es ist möglich, ihre Leistungsumwandlungseffizienz zu steigern, indem Polymerfolien gestapelt werden, die verschiedene Lichtbänder aufnehmen. Tatsächlich hat Heegers Gruppe damit in der Vergangenheit einige Erfolge erzielt. Aber dieser Ansatz hat einen großen Nachteil. Layering ist selbstzerstörerisch, weil Sie die Herstellungskosten erhöhen, sagt Luping Yu , Professor für organische Chemie an der University of Chicago, der sich auch mit Solarzellen beschäftigt.
Eine Möglichkeit, die Leistung dieser Zellen zu verbessern, besteht darin, sicherzustellen, dass jedes einzelne Photon, das von den Polymeren absorbiert wird, in ein Elektron umgewandelt wird, das gesammelt werden kann. Die Heeger-Gruppe steigerte die Gesamteffizienz ihrer Zellen, indem sie diesen internen Wirkungsgrad verbesserte. Wie gut sich Elektronen innerhalb dieser Filme bewegen können, hängt von der Qualität der Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten ab, aus denen der Film besteht: In der Zelle der University of California sind dies ein leitfähiges Polymer und eine Version einer fußballförmigen Kohlenstoffverbindung namens ein Fulleren. Heegers Gruppe testete Folien aus unterschiedlichen Verhältnissen dieser beiden Komponenten sowie unterschiedlichen Lösungsmitteln für deren Verarbeitung.
Das Ergebnis ist eine Zelle mit nahezu perfektem internen Wirkungsgrad. Das gesamte absorbierte Licht wurde in Ladungen umgewandelt, sagt Zhenan Bao , ein außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der Stanford University, der nicht an der Forschung beteiligt war. Diese Gruppe hat sehr gute Ingenieursleistungen an den Zellen erbracht.
Ich freue mich über die Fortschritte, sagt Um Kontakt mit Yang aufzunehmen , Professor für Materialwissenschaften und -technik an der University of California, Los Angeles. Sie pushen den Datensatz inkrementell. Heeger stimmt zu: Die Größe des Marktes hängt von den Kosten in Dollar pro Watt ab, daher ist jede Effizienzsteigerung wichtig.
Während Yang, Bao und Heeger sagen, dass die von Heegers Gruppe erzielten Zahlen ein wichtiger Beweis für das Potenzial von Polymersolarzellen sind, erkennen alle an, dass die bestehenden Materialien nicht diejenigen sein werden, die die Branche voranbringen werden. Zehn Prozent [Effizienz] wären ein Durchbruch, sagt Heeger. Wir erreichen dieses Ziel, indem wir neue Materialien synthetisieren, die auf einen größeren Teil des Energiespektrums reagieren.
Organische Materialien seien immer noch auf sichtbares Licht beschränkt, sagt Yang, aber ein Großteil der Sonnenenergie liegt im benachbarten Teil des Spektrums – dem Infrarot –, also arbeiten Polymerwissenschaftler an Solarzellenmaterialien, die auch dieses Band absorbieren können. Yu von der University of Chicago, der mit Solarmer Energy zusammenarbeitet, sagt, dass das Unternehmen seine Polymere, die Licht kürzerer Wellenlängen absorbieren, verwendet hat, um Zellen herzustellen, die einen Wirkungsgrad von mehr als 7 Prozent erreichen sollen, aber er kann aufgrund der Ergebnisse keine Details verraten wurden noch nicht veröffentlicht.