Solar-PV-Wirkungsgrad im Labor bis 35% - ein neuer Durchbruch bei Solarfolien.
Solarzellen sind derzeit auf einen maximalen Wirkungsgrad von etwa 30 % beschränkt und erreichen in der Praxis nur einen Wirkungsgrad von 20 bis 23 %. Nun hat ein Team in Cambridge eine Folie entwickelt, die die Anzahl der Photonen, die das Panel nutzen kann, erhöhen kann, wodurch der Wirkungsgrad auf bis zu 35 % gesteigert werden könnte. Und wie machen sie das?
Solarzellen, die das verschwendete Licht nutzen. Das Start-up-Unternehmen Cambridge Photon Technology entwickelt photovoltaische Materialien, die das Spektrum der Sonne voll ausnutzen.
Bestehende Solarzellen können nur einen Bruchteil der Sonnenenergie in Strom umwandeln. Cambridge Photon Technology hofft, dies verbessern zu können. Cambridge Photon Technology ist eine Ausgründung der Universität Cambridge, UK, und gehört zu den acht Finalisten des Spinoff-Preises 2021.
Da sich die Welt zunehmend auf erneuerbare Energien konzentriert, versuchen die Hersteller von Solarzellen, so viel Strom wie möglich aus ihren Paneelen herauszuholen. Leider stoßen die Hersteller bei der Effizienz ihrer Geräte an Grenzen. Das im Vereinigten Königreich ansässige Unternehmen Cambridge Photon Technology glaubt, einen Weg gefunden zu haben, um die Menge an Strom, die das photovoltaische Material in den Solarzellen erzeugen kann, erheblich zu steigern.
Alle Solarzellen funktionieren im Wesentlichen auf die gleiche Weise: Licht trifft auf das Gerät und regt die Elektronen in der Zelle an, wodurch elektrischer Strom fließt. Das bevorzugte photovoltaische (PV) Material ist Silizium, das einen großen Teil des einfallenden Sonnenlichts absorbieren und in Strom umwandeln kann. Silizium funktioniert jedoch am besten mit Photonen im roten und nahen Infrarotbereich des Spektrums. Längerwellige, energieärmere Photonen - Ferninfrarot, Mikrowellen und Radiowellen - liefern nicht genug Energie, um den Strom zum Fließen zu bringen. Kurzwelligere grüne und blaue Photonen enthalten mehr Energie, als das Silizium verarbeiten kann, und die überschüssige Energie wird als Wärme verschwendet.
Cambridge Photon Technology hat nach eigenen Angaben einen Weg gefunden, diese Verschwendung zu stoppen: Es wandelt energiereichere Photonen in energieärmere um, die die Solarzelle nutzen kann. "Wir versuchen, das Problem zu lösen, wie man die Leistung von Solarzellen verbessern und die Kosten erheblich senken kann, ohne die etablierte Siliziumtechnologie über Bord zu werfen", sagt David Wilson, Leiter der Geschäftsentwicklung des Unternehmens.
Der maximale Wirkungsgrad wird durch ein Phänomen namens Shockley-Queisser-Grenze bestimmt. Alle PV-Materialien haben eine Eigenschaft, die als Bandlücke bezeichnet wird und die vorgibt, wie viel Energie in einzelne Elektronen fließen kann; bei Silizium liegt sie bei 1,1 Elektronenvolt. Das entspricht den Photonen im nahen Infrarotbereich des Spektrums. Photonen, die eine höhere Energie als diese Bandlücke haben - das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts - können Elektronen erzeugen, aber jede zusätzliche Energie des Photons, die über die Bandlücke des Materials hinausgeht, geht als Wärme verloren. Aufgrund dieser Begrenzung kann eine herkömmliche Solarzelle, die unter idealen Bedingungen arbeitet, bestenfalls 29 % der Sonnenenergie in Strom umwandeln.
Die neue Technik, die sich auf ein Phänomen namens Singulett-Exzitonenspaltung stützt, wurde von dem Physiker Akshay Rao und seinem Team an der Universität Cambridge entwickelt. Rao ist auch der wissenschaftliche Leiter des Start-ups. Wenn Licht auf ein PV-Material trifft, entsteht ein Exziton, bei dem ein negativ geladenes Elektron und eine positiv geladene Elektronenlücke durch eine elektrostatische Ladung verbunden sind. Handelt es sich bei dem Material jedoch um einen organischen Polymer-Halbleiter, kann das Photon nicht nur ein, sondern zwei Exzitonen mit niedrigerer Energie erzeugen - die beide in elektrischen Strom umgewandelt werden können. "Man behält die Gesamtenergie, die ein- und ausgeht, bei, sorgt aber dafür, dass das Silizium einen höheren Photonenfluss in dem Teil des Spektrums empfängt, den es gut in Strom umwandeln kann", sagt Wilson.
Die Idee, Photonen aufzuspalten, ist nicht neu. "Man hatte schon seit vielen Jahren eine Ahnung, dass man dieses Phänomen der Singulett-Exzitonenspaltung in organischen Halbleitern nutzen könnte, um die Shockley-Queisser-Grenze zu umgehen", sagt Wilson. Aber erst 2014 haben Rao und seine Kollegen, die im Labor des Physikers Richard Friend in Cambridge arbeiteten, einen praktischen Weg gefunden, dies zu tun1.
Der Plan war von Anfang an, diese Arbeit zu kommerzialisieren, sagt Claudio Marinelli, ein Elektroingenieur und Unternehmer, der Geschäftsführer des Unternehmens ist. Rao sprach mit einem Hersteller von Solarmodulen, um herauszufinden, was die Branche braucht und wie seine Technologie helfen könnte, und wandte sich dann an Leute mit Geschäftserfahrung, darunter Marinelli und Wilson, um ein marktfähiges Produkt zu entwickeln.
Rao entwickelte einen Photonen-Multiplier-Film, der aus einer Schicht eines organischen Polymers namens Pentacen besteht, das mit Bleiselenid-Quantenpunkten - kleinen, lichtemittierenden Klumpen aus anorganischem Material - besetzt ist. Das Polymer absorbiert blaue und grüne Photonen und wandelt sie in Exzitonenpaare um. Diese Exzitonen fließen zu den Quantenpunkten, die sie absorbieren und energieärmere rote oder infrarote Photonen aussenden. Wenn die Folie auf eine Silizium-Solarzelle gelegt wird, strahlt das Licht der Quantenpunkte auf das Silizium (siehe "Farbverschiebung"). In der Zwischenzeit durchdringen die roten und infraroten Wellenlängen, die direkt von der Sonne kommen, die Polymerfolie und treffen auf das Silizium, wie sie es normalerweise tun.