Umwandlung von Infrarotlicht in Energie

Durchbruch in Nanotechnologie

Unsichtbares Infrarotlicht macht die Hälfte der gesamten Sonneneinstrahlung auf der Erde aus, doch gewöhnliche Solarsysteme haben nur begrenzte Möglichkeiten, es in Strom umzuwandeln. Ein Durchbruch in der Forschung am KTH Royal Institute of Technology, Stockholm könnte das laut einer Medienmitteilung vom 30.10.2019 ändern. Ein Forschungsteam um Hans Ågren, Professor für theoretische Chemie am KTH, hat eine Folie entwickelt, die auf gewöhnliche Solarzellen aufgebracht werden kann, die es ihnen ermöglichen würde, Infrarotlicht zur Energieumwandlung zu nutzen und den Wirkungsgrad um 10 Prozent oder mehr zu erhöhen.

“Wir haben eine Effizienzsteigerung von 10 Prozent erreicht, ohne die Technologie zu optimieren”, so Ågren. “Mit etwas mehr Arbeit schätzen wir, dass eine Effizienzsteigerung von 20 bis 25 Prozent erreicht werden kann.”

Nahaufnahme der Folie, die Nanokristalle und Mikrolinsen kombiniert, um Infrarotlicht einzufangen und in Sonnenenergie umzuwandeln © bkth.se

Exkurs: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg (ISE) haben schon 2013 nach einer Lösung gesucht, um auch noch diesen Teil des Sonnenlichtes für die Umwandlung in Strom nutzen zu können. Damit erhöht sich der physikalisch mögliche Wirkungsgrad von – noch nicht erreichten – 30 auf 40 Prozent. Entwickelt haben die Freiburger Solarzellen aus zwei Schichten. In der oberen Schicht, die aus Siliziumkristallen besteht, wird Sonnenlicht ganz konventionell in Strom umgewandelt. Die Wärmestrahlen jedoch, die die Effektivität der Zellen reduzieren, wandern in eine zweite Schicht unter den Kristallen, die Hochkonverter genannt wird. Diese Schicht besteht aus einem Kunststofffilm, in den ein mikrokristallines Pulver eingebettet ist, das im Wesentlichen aus Natrium-Yttrium-Fluorid besteht. Einen Teil der Fluor-Atome haben die Freiburger Forscher durch das optisch aktive Element Erbium ersetzt, das bisher vor allem für spezielle Laser verwendet wird. Das Infrarotlicht gibt seine Energie an die Erbium-Atome ab. Es hievt sie auf ein höheres Energieniveau. Ein Elektron klettert gewissermaßen auf einer Leiter eine Stufe nach oben. Das nächste Lichtteilchen lässt ein weiteres Elektron emporhüpfen, das das erste auf die nächste Stufe verdrängt. Auf der letzten Stufe  gibt es seine Energie in Form von Licht ab. Dieser Vorgang findet millionenfach parallel statt. Das Licht in seiner Gesamtheit bestrahlt die Rückseite des Siliziums, sodass zusätzlicher Strom erzeugt wird. Normale Siliziumzellen wären dazu nicht geeignet, weil sich auf ihrer Rückseite ein hauchdünner Metallfilm befindet, der kein Licht durchlässt. Er dient dazu, den erzeugten Strom zu sammeln und zum Verbraucher zu leiten. Damit die Zelle auch das von hinten kommende Licht sehen kann, haben die Freiburger Forscher den Metallfilm durch ein Strom leitendes Gitter ersetzt. Vorder- und Rückseite sind entspiegelt, sodass nicht einmal ein winziger Teil des Sonnenlichts durch Reflexion verlorengeht. Die bifaciale Zelle, wie Fachleute sie nennen, haben die Freiburger gemeinsam mit Forscherkollegen der Universität Bern und der Heriot-Watt University Edinburgh entwickelt.” (solarify.eu/solarzellen-der-zukunft)

Lichtempfindliche Materialien, die in Solarzellen verwendet werden, wie z.B. das Mineral Perowskit, haben eine begrenzte Fähigkeit, auf Infrarotlicht zu reagieren. Die gemeinsam mit den KTH-Forschern Haichun Liu und Qingyun Liu entwickelte Lösung bestand darin, Nanokristalle mit Ketten von Mikrolinsen zu kombinieren. Die Fähigkeit der Mikrolinsen, Licht zu konzentrieren, ermöglicht es den Nanopartikeln, die schwache IR-Lichtstrahlung in sichtbares Licht umzuwandeln, das für Solarzellen nützlich ist”, sagt Ågren. Der Forschungsfortschritt wurde patentiert und in der Fachzeitschrift Nanoscale vorgestellt.

Im Juni 2018 erreichte das Spin-Out-Unternehmen Oxford Photovoltaics jedoch einen Rekordwirkungsgrad von 27,3% für Perowskit-Silizium-Tandemzellen. Das Unternehmen sagt, dass es relativ einfach sei, bestehende Siliziumwafer zu nehmen und die Perowskitschicht mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff zu verkleben. “Wir haben ein fast kommerziell fertiges Produkt”, sagt Chris Case, Chief Technology Officer des Unternehmens. Sie erwarteten, dass frühe Versionen des Produkts einen Wirkungsgrad von etwa 25 bis 26% aufweisen und sich in den kommenden Jahren auf über 30% verbessern werden. Das Unternehmen startet auch ein Projekt zum Bau von Vollperowskitzellen mit zwei oder mehr Schichten, die einen Wirkungsgrad von 37% erreichen sollen. Drei Schichten seien besser als zwei, und die Forscher setzten zunehmend auf nanostrukturierte Materialien, um ein solches Trio zu vervollständigen. Quantenpunkte seien zum Beispiel winzige Halbleiterpartikel, die sich als besonders gut beim Erfassen von Photonen erwiesen, und die Änderung ihrer Größe biete eine einfache Möglichkeit, ihren Bandlücken einzustellen. Eine Dreifachzelle könne eine auf blaues und grünes Licht abgestimmte Perowskitschicht, eine Siliziumschicht für rotes und nahes Infrarot und eine Quantenpunktschicht für die längsten Wellenlängen aufweisen. “Dies könnte zu einem Wirkungsgrad von bis zu 6% bei geringen Mehrkosten führen”, sagt García de Arquer, Teil eines Teams, das Quantenpunkt-PV-Systeme entwickelt.

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