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Mehr Licht mit einer einzigen Solarzelle einfangen
Die effizientesten Solarzellen bestehen normalerweise aus mehreren Schichten aus Halbleitermaterialien, von denen jede darauf abgestimmt ist, unterschiedliche Lichtfarben in Elektrizität umzuwandeln. Forscher bei Lawrence Berkeley National Lab haben jetzt einen einzigen Halbleiter hergestellt, der fast die gleiche Aufgabe erfüllt. Noch wichtiger ist, dass sie das Material mit einer üblichen Herstellungstechnik hergestellt haben, was darauf hindeutet, dass es relativ kostengünstig hergestellt werden könnte.
Prototyp Zelle: Diese kleine Solarzelle verfügt über ein Halbleitermaterial, das dafür ausgelegt ist, einen größeren Teil des Sonnenspektrums zu absorbieren.
Mehrere Forschungsgruppen entwickeln Halbleitermaterialien, die mehr von der Energie des Sonnenlichts nutzen, basierend auf einer Idee aus dem Jahr 1960, die die Wechselwirkung von Halbleitermaterialien in Solarzellen mit Licht verändert. Aber die Materialien, die in dieser Forschung verwendet werden, sind in der Regel sehr schwierig herzustellen.
Es bleibt noch viel Arbeit, bevor das Labormaterial von Lawrence Berkeley in einer praktischen Solarzelle verwendet werden könnte, aber theoretisch könnte es fast die Hälfte der Energie des Sonnenlichts in Elektrizität umwandeln – dreimal so viel wie die meisten einschichtigen (oder einschichtigen) Solar Zellen. Eine solche Solarzelle könnte auch weniger kosten als die geschichteten (oder Mehrfach-Übergangs-) Solarzellen, die derzeit benötigt werden, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, da sie nur ein Halbleitermaterial erfordern würde.
In einem herkömmlichen Halbleitermaterial wird eine gewisse Energiemenge benötigt, um ein Elektron freizusetzen und Elektrizität zu erzeugen. Photonen, die weniger Energie haben – beispielsweise die Photonen im Infrarotlicht – erzeugen keinen Strom. Und wenn ein Photon mehr als das Minimum hat – zum Beispiel ein Photon in energiereichem ultraviolettem Licht – wird die zusätzliche Energie als Wärme verschwendet.
Das neue Halbleitermaterial basiert auf Galliumarsenid. Normalerweise benötigt dieses Material hochenergetische Photonen, um Strom zu erzeugen. Aber die Forscher modifizierten es so, dass die Energie von mehr als einem Photon verwendet wird, um ein Elektron freizusetzen – die Energie summiert sich, bis ein Elektron freigesetzt wird. Das Ersetzen einiger Arsenatome im Material durch Stickstoffatome schafft Regionen, die als Sprungbrett für Elektronen fungieren, die etwas Energie von niederenergetischen Photonen absorbiert haben, wo sie darauf warten können, Energie von weiteren Photonen zu erhalten, sagt Wladek Walukiewicz , der die Solar Energy Materials Research Group im Lawrence Berkeley-Labor leitet und auch das Projekt leitete.
Das neue Material wandelt hochenergetische Photonen in Elektrizität um, ohne ihre Energie als Wärme zu verschwenden, und wandelt auch niederenergetische Photonen in Elektrizität um – Photonen, die normalerweise nicht vom Material absorbiert würden.
Ein ähnlicher Effekt wird bei kommerziellen Mehrfachsolarzellen erzielt, die im Wesentlichen durch das Übereinanderstapeln von drei Solarzellen hergestellt werden, die jeweils für eine andere Lichtfarbe optimiert sind. Die Kombination dieser drei Solarzellen ist jedoch teuer und aufwendig, da jede Schicht eng an die anderen Schichten angepasst werden muss.
Der Solarzellen-Prototyp ist noch relativ ineffizient. Ein Teil des Problems ist, dass viele der Elektronen, die etwas Energie von niederenergetischen Photonen absorbiert haben, diese Energie nicht lange genug halten, um Energie von einem anderen Photon zu absorbieren. Diese Elektronen schaffen es nie aus der Materie heraus, und die Energie geht als Wärme verloren. Die Forscher arbeiten mit zwei Unternehmen, Rose Street Labs Energy und Sumika Electronic Materials, zusammen, um dieses Problem zu lösen. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, das Material mit Phosphoratomen zu dotieren, um deren elektrische Eigenschaften zu verändern.
Das wird eine Herausforderung, sagt Andrew Norman, Forscher an der Nationales Labor für erneuerbare Energien . Auch Norman hat an dieser Art von Solarzelle gearbeitet, wenn auch aus ganz anderen Materialien. Norman sagt, dass die neue Arbeit interessant ist, insbesondere wegen der hohen Spannungen, die die Zelle erzeugt, aber er stellt fest, dass es sich als schwierig erwiesen hat, diesen Zelltyp zu kommerzialisieren. Man muss sich fragen, warum in 50 Jahren niemand erfolgreich war, sagt er.