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'Light Pipes' steigern die organische Solareffizienz
Forscher in North Carolina haben eine Möglichkeit entwickelt, die Leistung organischer Solarzellen mehr als zu verdoppeln, indem sie eine Schicht aufrechter Glasfasern hinzufügen, die als Sonnenlichtfallen fungieren.
Faserwald: Dieses Prototyp-Solarpanel ist mit Glasfasern bedeckt. Photonen prallen in den Fasern herum, bevor sie absorbiert werden, und dies verdoppelt die Effizienz des Panels im Vergleich zu normalen organischen Zellen.
David Carroll , Physikprofessor an der Wake Forest University, leitete die Entwicklung eines Prototyps einer Solarzelle mit den Fasern. Er ist der leitende Wissenschaftler bei einer Spin-off-Firma namens FiberCell das ist die Entwicklung eines Reel-to-Reel-Fertigungsprozesses zur Herstellung der Zellen. Wir stehen kurz davor, funktionierende Demonstratoren zu haben, die jemanden davon überzeugen würden, damit in die Produktion zu gehen, sagte Carroll .
Die besten organischen Solarzellen haben heute einen Wirkungsgrad von fast 8 Prozent, obwohl es weiterhin Bemühungen gibt, organische Chemie zu entwickeln, die den Wirkungsgrad solcher Zellen auf über 10 Prozent steigern würde. Aber Carroll sagt, dass eine verbesserte Chemie allein nicht ausreichen wird, um die Leistung von Siliziumzellen einzuholen. Die Antwort liegt nicht in der Chemie, sondern in der Architektur der Zelle selbst, sagt er. Carroll fügt hinzu, dass die Dollar-pro-Watt-Kosten für die Herstellung von faserbasierten organischen Zellen ungefähr die gleichen Kosten wie für flache organische Zellen sein sollten. Aber sie können in einer Fabrik hergestellt werden, die ein Zehntel der Kosten einer Siliziumgießerei kostet, sagt er. Dadurch wären sie in der Herstellung deutlich günstiger als Siliziumzellen.
Das Problem bei Standard-Flachzellen, egal ob aus organischem oder anorganischem Material, besteht darin, dass ein Teil des Sonnenlichts durch Reflexion verloren geht. Um diesen Effekt zu reduzieren, tragen Zellhersteller Antireflexbeschichtungen auf oder ätzen die Zelloberfläche, um die Photonenabsorption zu erhöhen. Carrolls Team hat einen dramatischeren Ansatz gewählt, indem es optische Fasern auf ein Polymersubstrat prägt, das die Grundlage der Zelle bildet.
Die Fasern, die Carroll als Lichtleiter bezeichnet, ragen wie grobe Stoppeln aus der Oberfläche. Sie sind von dünnen organischen Solarzellen umgeben, die im Dip-Coating-Verfahren aufgebracht und zusätzlich mit einem lichtabsorbierenden Farbstoff oder Polymer aufgesprüht werden. Licht kann in jedem Winkel in die Spitze einer Faser eintreten. Photonen prallen dann innerhalb der Faser herum, bis sie von der umgebenden organischen Zelle absorbiert werden.
Die Forscher testeten eine Glasfaserzelle im Labor und fanden heraus, dass die Faser die Lichtabsorption um etwa die Hälfte verbesserte. Carroll sagt, dass die Zellen im Vergleich zu Flachbildschirmen im Laufe eines Tages auch doppelt so viele Wattstunden produzieren können, weil sie Licht aus verschiedenen Winkeln empfangen können. Es sei dasselbe, als würde man ein flaches Gerät den ganzen Tag direkt auf die Sonne richten, sagt er.
Forscher der Georgia Tech experimentieren mit ähnlichen faserbasierten organischen Solarzellen. Zhong Lin Wang , Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Universität, sagt, der Ansatz habe große Vorteile gegenüber herkömmlichen Flachzellen-Designs. Sein Labor hat eine Hybridzelle entwickelt, die aus optischen Fasern und einem Nanodraht-Fuzz aus Zinkoxid besteht, der auf den Außenwänden der Fasern aufgewachsen ist. Die mit lichtabsorbierenden Farbstoffen behandelten Nanodrähte sollen eine größere Oberfläche zum Einfangen von Sonnenlicht bieten. Wang sagt, dass dieser Ansatz die Effizienz um den Faktor sechs steigert, obwohl sein Labor noch über einen einzelnen Faserstrang hinausgehen muss. Wir arbeiten immer noch daran, mehrere Fasern [auf einer größeren Oberfläche] zu integrieren, sagt er.
Carroll begann seine Forschung im Jahr 2004 und verschaffte der Wake University einen Vorsprung auf dem Weg zur Kommerzialisierung. Die meisten Geräte auf dem Markt befinden sich jetzt auf einzelnen Fasern, sagt er. Carroll sagt auch, dass es auf dem Markt keinen Mangel an Rolle-zu-Rolle-Verarbeitungstechniken gibt, mit denen Substrate mit optischen Fasern bedeckt werden könnten. Wir werden uns von denen leihen; Das sei nicht schwer, sagt er. Die Empfindlichkeit gegenüber Schichtdicke und Beschichtungsqualität ist viel geringer als von uns erwartet, was bedeutet, dass die Herstellungswege viel enger sind, als wir zunächst erwartet hatten.
FiberCell ist derzeit im Gespräch mit Investoren und möchte seine faserbasierten organischen Zellen für Dachziegel und andere Produkte herstellen, die von der Fähigkeit profitieren würden, Licht aus verschiedenen Winkeln aufzunehmen sollte theoretisch in der Lage sein, die Effizienz von 15 Prozent zu übertreffen und sich 20 Prozent zu nähern, sagt Carroll. Dies würde die organische Photovoltaik-Technologie mit den heutigen Top-Siliziummodulen wettbewerbsfähig machen.
John Paul Morgan , ein Optikingenieur und Chief Technology Officer des konzentrierten Photovoltaik-Solarunternehmens Morgan Solar, sagt, dass der FiberCell-Ansatz mit anderen Techniken konkurrieren muss, die entwickelt wurden, um die Paneloberfläche zu vergrößern und mehr Licht einzufangen. Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass das Wachsen eines Waldes aus eng gruppierten Nanodrähten auf einem Substrat die Effizienz organischer Zellen verbessert.
Optische Fasern sind ein interessanter Ansatz, aber wie bei anderen Ansätzen kommt es auf die Herausforderungen der Herstellung an, sagte Morgan. Alle neuen Zelltechnologien haben Probleme mit Feuchtigkeit, elektrischen Verbindungen, Verschleiß. Wenn sie diese überwinden können, könnte dies eine sehr praktikable Idee sein. Ich bin gespannt, was als nächstes kommt.