Quantentopfsysteme als Schlüssel zu eindrucksvollen Kostensenkungen
Die Innovationsallianz Photovoltaik meldet: Quantentopfsysteme zeigen Potenzial zu Wirkungsgradsteigerungen jenseits der Shockley-Queisser-Grenze. Das Projekt nano-III-V-pins der Innovationsallianz Photovoltaik präsentiert Ergebnisse.
Die Physik setzt dem Wirkungsgrad von Solarzellen Grenzen. Maximal etwa 30 Prozent, mehr ist nach dem sogenannten Shockley-Queisser-Limit mit einer konventionellen Solarzelle nicht möglich. Doch mit den richtigen Konzepten lässt sich dieses Limit überwinden, wie es gerade wieder in der jüngsten Weltrekordsolarzelle mit Beteiligung der Projektpartner des Forschungsvorhabens nano-III-V-pins gezeigt wurde – fast 45 Prozent in einer Stapelsolarzelle.
Stromgestehungskosten deutlich unterhalb derer von konventionellen PV-Modulen
Hochleistungssolarzellen haben schon heute an geeigneten Standorten das Potenzial, in Kraftwerkseinheiten und in Konfigurationen von Konzentratorsystemen Stromgestehungskosten deutlich unterhalb derer von konventionellen PV-Modulen zu erreichen. Im Projekt III-V-Nano-pins sollen aus III-V Halbleitern sogenannte Quantentopfsysteme auf Siliziumsubstraten gewachsen werden, um die Effizienz von Einfachzellen übertreffen zu können, ohne dabei auf die in den gängigen Hochleistungssolarzellen verwendeten konventionellen Mehrfachzellen zurückgreifen zu müssen. Diese Quantentopfsysteme erlauben es, einen größeren Teil des solaren Spektrums abzugreifen, als dies bei Einfachzellen der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass Halbleiter-Nanodrähte verwendet werden können, die bei hoher Absorption des Lichts kurze Transportwege für die Ladungsträger sicherstellen und somit Verluste in der Zelle minimieren. Nanodraht-Strukturen bieten gegenüber planaren Strukturen viele Vorteile: Die Materialqualität muss weniger stringent sein, hohe Wachstumsraten sind machbar und der Materialeinsatz geringer. Insgesamt verspricht dieser Ansatz eine gewaltige Kostenreduktion gegenüber konventionellen Hochleistungssolarzellen.
Energieversorgung der Zukunft dank Hocheffizienz-Nanodrahttechnologie
An dem Verbundprojekt Nano-III-V-pins sind vier Universitäten, zwei Forschungseinrichtungen und ein Unternehmen beteiligt. Das Forscherteam führt grundlegende Untersuchungen an Quantentopfstrukturen durch, die auf die Realisierung und Charakterisierung geeigneter planarer Strukturen sowie auch radial aufgebauter Nanodraht-Strukturen abzielen. Die experimentellen Arbeiten reichen dabei vom Wachstum der Nanodrähte auf Siliziumsubstraten, über die Analyse dynamischer Prozesse durch zeitaufgelöste Messungen bis hin zur skalierbaren Kontaktierung der erzeugten Strukturen. Ergänzt werden diese experimentellen Arbeiten durch theoretische Modellierung. Die Hocheffizienz-Nanodrahttechnologie bietet ein hohes Innovationspotenzial, neue Märkte im Bereich terrestrischer und nicht-terrestrischer Anwendungen sowie in mobilen elektronischen Systemen als mikrostrukturierte dezentrale Energieversorgung zu erschließen.
Grundlagenforschungsvorhaben der Innovationsallianz Photovoltaik
Das Projekt gehört zu den Grundlagenforschungsvorhaben der Innovationsallianz Photovoltaik. Bahnbrechend könnten die Ergebnisse der Forscher aus Ilmenau, Duisburg, Heilbronn, Erfurt und Berlin sein. Erstmals wäre es mit Einzelzellen möglich, die berühmte Shockley-Queisser-Grenze zu durchbrechen.
Dünnste Schichten, die als Quantentöpfe bezeichnet werden, mit ganz speziellen elektronischen Eigenschaften, ermöglichen eine effizientere Ausnutzung des Sonnenlichts. Diesen Tuning-Effekt haben die Forscher jetzt erstmals mit nanoskaligen Solarzellen nachgewiesen, bei denen die Quantentopfstruktur in einem 2D-Schichtsystem realisiert wurde. „Mit Nanotechnik kann ein größerer Teil des solaren Spektrums kostengünstig in Elektrizität umgewandelt werden. Quantentopfsysteme könnten sich in Zukunft den gegenwärtig effizientesten Solarzellen als ebenbürtig erweisen“, freut sich Projektkoordinator Thomas Hannappel von der Technischen Universität Ilmenau. „Durch eine Übertragung auf radiale Nanodrahtstrukturen verkürzen sich zudem die Transportwege in der Solarzelle, so dass sich Verluste weiter verringern lassen. Theoretisch sind damit Wirkungsgrade über dem sogenannten Shockley-Queisser-Limit von 30 Prozent zu erreichen“, so der Sprecher des Forschungsverbunds.
Im Rahmen der Innovationsallianz Photovoltaik wurde das Projekt mit 6,8 Millionen Euro gefördert. Das Förderprogramm wird vom Bundeswirtschaftsministerium und Bundesforschungsministerium getragen. Die Projekte präsentieren sich auf der Internetseite www.innovationsallianz-photovoltaik.de.
Die Innovationsallianz Photovoltaik: Mit über 100 Millionen Euro fördern das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) und das Bundesforschungsministerium (BMBF) im Rahmen der Innovationsallianz Photovoltaik seit 2010 Forschungs- und Entwicklungsvorhaben deutscher Solarunternehmen und Forschungseinrichtungen. Die deutsche Solarbranche plant im Gegenzug Investitionen in geschätzter fünffacher Größenordnung in die Umsetzung der Ergebnisse in Deutschland. Ziel ist es, die Forschungsanstrengungen im Bereich der Photovoltaik zu bündeln, die internationale Wettbewerbsfähigkeit zu sichern und den Innovationsvorsprung deutscher Photovoltaik-Unternehmen weiter auszubauen. Die Projekte werden im Verbund von Photovoltaik-Herstellern, Ausrüstern, Anlagenbauern und Forschungseinrichtungen durchgeführt.
->Quelle: www.innovationsallianz-photovoltaik.de/main/nano-iii-v-pins/