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Mikroskopische Solarzellen könnten mehr Sonnenlicht sehen
Forscher der Sandia National Laboratories haben Siliziumsolarzellen auf den Mikromaßstab verkleinert, was neue Möglichkeiten für eine verbesserte Effizienz eröffnet.
Skalierung Silizium: Diese verkleinerten, hexagonalen Siliziumsolarzellen haben einen Durchmesser von 0,25 bis zu einem Millimeter. Die auf einigen von ihnen sichtbaren Linien sind elektrische Metallkontakte.
Multikristallines Silizium, derzeit der Goldstandard für die Effizienz von Solarzellen, ist teuer und führt zu schweren und spröden Zellen. Die mikroskopisch kleinen Siliziumsolarzellen von Sandia verbrauchen 100-mal weniger Material bei gleicher Effizienz.
Zusätzlich zu den geringeren Materialkosten ermöglicht der kleinere Maßstab dieser Zellen, dass sie in kompakte optische Systeme für eine kostengünstigere Lichtverfolgung und -konzentration integriert werden können. Forscher könnten sie sogar in Tinten aufhängen, die auf Kunststoff gedruckt werden könnten, um effiziente, flexible Silizium-Solarmodule herzustellen.
Bei Mikrosystemen sucht man nach Dingen, die billiger werden, besser funktionieren und neue Funktionalitäten erhalten, sagt Gregory Nielson, leitender Wissenschaftler des Projekts.
Bisher haben die Sandia-Forscher als Prinzipbeweis eine einzelne Mikrosolarzelle aufgebaut und getestet. Aber sie haben damit begonnen, funktionierende Solarmodule aus mehreren winzigen Zellen zu testen und entwickeln Techniken, um sie effizient zusammenzubauen.
Sandias Zellen haben einen Durchmesser zwischen 0,25 und einem Millimeter. Der Hauptvorteil der Herstellung solcher kleinen Zellen wären geringere Materialkosten, da die winzigen Zellen etwa 10 Mal dünner als herkömmliche hergestellt werden können. Normalerweise müssen Solarzellen 100 Mikrometer dick sein, um ihre Oberfläche zu unterstützen – typischerweise etwa 15 Quadratzentimeter.
Sandia stellt seine Zellen aus Silizium her, das mit herkömmlichen chemischen Verfahren verarbeitet wurde. Forscher schnitzen die Zellen aus diesem Silizium mit einer chemischen Ätztechnik, die vernachlässigbar wenig Abfall erzeugt. Sie behandeln die Oberfläche des Wafers, um die für eine funktionierende Zelle notwendigen elektrischen Eigenschaften zu erzeugen, und belegen sie dann mit Metallkontakten. Die Forscher ätzen dann die oberen 10 bis 20 Mikrometer der Waferoberfläche mit Chemikalien, die nur einen bestimmten Teil der Kristallstruktur fressen.
Die resultierenden Zellen sind etwa 20 Mikrometer dick, haben aber den gleichen Wirkungsgrad wie herkömmliche Zellen und wandeln etwa 14,9 Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Es ist auch einfacher, die Zellen in einer sechseckigen Form herzustellen, wodurch die verfügbare Fläche optimal genutzt wird, ohne viel Silizium zu verschwenden. Die Materialeinsparungen sind eine große Sache, sagt Nielson.
Silizium und Sonne: Sandia-Forscher Gregory Nielson hält eine Reihe von mikroskaligen, multikristallinen Siliziumsolarzellen hoch.
Mikrosolarzellen bieten neue Möglichkeiten der Lichtkonzentration und -verfolgung, die die Effizienz der Zellen weiter steigern könnten. Herkömmliche Nachführsysteme sind groß und schwer und müssen von Motoren bewegt werden. Ein Array von Mikrosolarzellen könnte mit einem Mikrolinsen-Array versehen werden, das sich nur einen Bruchteil eines Millimeters bewegen muss, um der Sonne zu folgen.
Die mikroskopischen Zellen könnten auch mit effizienteren Linsen kombiniert werden. Anstelle von Fresnel-Linsen, die sperrig sind und nur etwa 80 Prozent des einfallenden Lichts einfangen, könnten die Mikrozellen refraktive Linsen verwenden, die 90 Prozent des einfallenden Lichts einfangen. Es ist nicht praktikabel, refraktive Linsen mit herkömmlichen Solarzellen zu verwenden, da solche Linsen bei der erforderlichen Größe zu teuer und sperrig werden würden (je größer die Linse, desto weiter muss sie von der Oberfläche der Zelle entfernt montiert werden). Aber für die Sandia-Zellen könnte ein refraktives Mikrolinsen-Array jedem Siliziumgerät mit einer Linse von nur wenigen Mikrometern Durchmesser entsprechen. Solche Arrays sind bereits kommerziell erhältlich.
Laut Nielson könnten Entwickler die Zellen schließlich in einer Flüssigkeit suspendieren, um eine Tinte herzustellen, die auf flexible Substrate gedruckt werden könnte, die mit elektrischen Kontakten beschichtet sind, um flexible Solarmodule herzustellen.
Bei Solarzellen beeinträchtigt die Flexibilität normalerweise die Effizienz. Zum Beispiel das Unternehmen Konarka stellt flexible Solarzellen aus organischen Materialien her, diese arbeiten jedoch nur mit etwa 4 Prozent Wirkungsgrad. Wir glauben, dass wir hocheffiziente Materialien verwenden können, um dieselbe Flexibilität mit fünfmal weniger Fläche zu erreichen, sagt Nielson.
Nielson erwartet das Projekt, das vom US-Energieministerium finanziert wird Programm für Solartechnologien , um in etwa drei Jahren Module für den militärischen Einsatz (zum Beispiel in Energy-Harvesting-Zelten und -Rucksäcken) zu erhalten. Der Rest des Solarmarktes hat strenge Anforderungen an die Lebensdauer, daher kann es noch einige Jahre dauern, bis Module entwickelt werden, die langlebig genug sind. Das nationale Labor wird die Technologie wahrscheinlich an ein Unternehmen lizenzieren, nachdem sie ausgereifter ist.