Photovoltaik: “3D-Solarzellen” sollen den Wirkungsgrad steigern und kleinere, leichtere und einfachere Solar-Generatoren ermöglichen

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Neuartige dreidimensionale Solarzellen sollen fast alles Licht absorbieren, das auf sie trifft und so die Effizienz von Solarstromanlagen erhöhen und gleichzeitig deren Größe, Gewicht und Komplexität reduzieren. Das berichtet das Georgia Institute of Technology (GTRI) in einer Pressemitteilung. Die 3D-Solarzellen fangen Photonen mit einer Reihe von Miniatur-“Turm”-Strukturen ein, welche an Hochhäuser in einem Straßenzug erinnern, beschreibt das GTRI die neue Technologie. Diese Solarzellen könnten schon bald zur Stromversorgung von Flugzeugen dienen, heißt es in der Pressemitteilung. Indem sie eine höhere Effizienz photovoltaisch aktiver Schichten ermöglichen, könnten sie zudem das Design von Solarzellen für ein großes Anwendungsfeld verändern, so das GTRI.
“Unser Ziel ist es, jedes Photon zu nutzen”, sagte Jud Ready, vom elektro-optischen Labor des GTRI. “Weil wir mit unseren 3D-Strukturen mehr Licht einfangen, können wir mit viel kleineren photovoltaisch aktiven Flächen arbeiten. Auf einem Satelliten oder einem Flugzeug würde das weniger Gewicht und weniger Platz erfordern”, fügte Ready hinzu.

Forscher Ready: Der Wirkungsgrad unserer Solarzellen steigt sogar, wenn das Sonnenlicht sich aus der Senkrechten entfernt
Das 3D-Design wurde vorgestellt im März-Heft der Zeitschrift JOM, die von der Gesellschaft für Mineralien, Metalle und Materialien veröffentlich wird. Die Forschung wird unterstützt von der US-Luftwaffe sowie den Unternehmen NewCyte Inc. und LLC. Für die Technologie sei ein weltweites Patent beantragt worden. Die GTRI-Solarzellen absorbieren nach Angaben des Instituts Licht zwischen ihren Turmstrukturen, die nur 100 Mikrometer hoch sind, eine Fläche von 40 mal 40 Mikrometer haben und in einem Abstand von 10 Mikrometern platziert werden. Hergestellt werden diese Turmstrukturen aus senkrecht angeordneten Nanoröhren aus Kohlenstoff. Weil die Turmstrukturen Licht aus vielen verschiedenen Winkeln einfangen können, sei die Solarzelle auch dann effizient, wenn die Sonne nicht direkt darauf scheint. Das erlaube zum Beispiel den Verzicht auf eine Nachführung. “Der Wirkungsgrad unserer Solarzellen steigt sogar, wenn das Sonnenlicht sich aus der Senkrechten entfernt, deshalb brauchen wir keine mechanische Nachführung”, merkte Ready an.

Rasche Freisetzung von Elektronen soll Rekombination verringern
Die Fähigkeit der 3D-Solarzellen, möglichst viel Licht zu absorbieren könne auch den Wirkungsgrad der Umwandlung in Strom verbessern, betont das GTRI. Die photovoltaisch aktive Schicht herkömmlicher Solarzellen müsse dick genug sein, um die Photonen einzufangen, deren Energie Elektronen freisetzt und so Strom erzeugt, erläutert Ready. Jedoch erzeuge jedes mobile Elektron ein “Loch” in der Struktur der PV-aktiven Schicht und je länger es dauere, bis die Elektronen diese Schicht verlassen, desto wahrscheinlicher werde es, dass sie sich wieder mit einem der “Löcher” verbinden und so den Stromfluss verringern. Weil die 3D-Zellen mehr Photonen absorbierten als herkömmliche Solarzellen könne die PV-aktive Schicht dünner sein und so die Elektronen rascher freigesetzt werden, was die Rekombination reduziere, so Ready. Das verstärke die “Quanteneffizienz”, also die Menge der Photonen, die in Elektronen umgewandelt werden.

Silizium-Wafer plus mit Cadmiumtellurid (CdTe) und Cadmiumsulfid (CdS) beschichtete Nanoröhren
Die 3D-Zellen werden aus einem Silizium-Wafer hergestellt, der auch als unterer Kontakt dient. Die GTRI-Forscher beschichteten den Wafer zunächst mit einer dünnen Eisenschicht, die in einem photolithographischen Prozess aufgebracht wurde und verschiedene Muster haben kann. Danach wird der strukturierte Wafer in einem Ofen auf 780 Grad Celsuis erhitzt und Kohlenwasserstoffgase werden in den Ofen geleitet, in dem sich Kohlenstoff und Wasserstoff trennen. Mittels chemischer Bedampfung wachsen auf der Eisenschicht Flächen mit Nanoröhren, die mehrere Wände haben. Wenn diese Kohlenstoffröhrchen gewachsen sind, beschichten die GTRI-Forscher diese mit Cadmiumtellurid (CdTe) und Cadmiumsulfid (CdS) als P- und N-Halbleiter. Darüber wird eine dünne Schicht Zinnoxid angebracht als oberen Kontakt.
In der fertigen Solarzelle unterstützen die Nanoröhren laut GTRI nicht nur die 3D-Flächen, sondern dienen auch als leitfähige Verbindung zwischen den photovoltaischen Materialien und dem Siliziumwafer. Die Forscher hätten sich für Cadmium entschieden, weil dieses Material anderen Materialien ähnlich sei, mit denen sie bereits arbeiten. Doch auch viele andere photovoltaische Materialien könnten eingesetzt werden, wobei die Wahl des besten Materials für bestimmte Anwendungen das Ziel sei. Weiter gelte es, die Produktion vom Labormaßstab (quadratische Prototypen mit einer Kantenlänge von zwei Inch d. h. rund 5 cm) hin zur Serienfertigung zu entwickeln. “Wir haben gezeigt, dass wir mit diesem Verfahren Elektronen freisetzen können”, sagte Ready. “Nun brauchen wir eine gute Fertigungslinie, um Materialien zu vergleichen, zu optimieren und die Technologie so voranzubringen”, sagte Ready.
Weitere Informationen untrer: http://gtresearchnews.gatech.edu/newsrelease/3d-solar.htm
Eine Animation der 3D-Solarzelle bietet das GTRI im Internet unter der Adresse: http://www.gatech.edu/news-room/flash/CNTpv.html

27.07.2007 | Quelle: GTRI | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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