Ultradünne mehrschichtige Solarzellen auf Basis nanostrukturierter Materialien

Wissenschaftler auf der ganzen Welt legen großen Wert auf die Verbesserung der Solarenergieumwandlungssysteme. Um ihre Effizienz zu steigern und die Kosten für die direkte Herstellung von Solarmodulen so weit wie möglich zu senken, haben Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology beschlossen, die Dicke von Solarzellen zu reduzieren.

Der neue Plattentyp kann solche Lösungen übertreffen und ist in Bezug auf die Stromerzeugung pro Kilogramm verwendetem Material nur Uran unterlegen. Solche Platten können aus in vielen Schichten gefalteten Blättern bestehen. Graphen oder Molybdändisulfid, dessen Dicke nur ein Molekül beträgt (Stapel von monomolekularen Schichten). Wissenschaftler argumentieren, dass dieser Ansatz letztendlich der bestmögliche Ansatz für die Entwicklung der Solarenergie sein wird.

Jeffrey Grossman, Assistenzprofessor für Energie am Massachusetts Institute of Technology, sagt, dass trotz der großen Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern, die zweidimensionale Materialien wie Graphen erforschen, das Potenzial dieser Materialien für den Einsatz in Solarkonvertersystemen in den letzten Jahren völlig übersehen wurde. Es stellte sich heraus, dass diese Materialien nicht nur gut sind, sondern auch die ihnen zugewiesene Aufgabe sehr gut bewältigen können.

Auf lange Sicht ergeben zwei Schichten mit einer Atomdicke, wie sie dem Grossman-Team vorgestellt wurden, einen Wirkungsgrad von 1-2%, der die Energie des Sonnenlichts in Elektrizität umwandelt. Es scheint klein im Vergleich zu 15-20% Wirkungsgrad traditionelle SiliziumelementeEs ist jedoch wichtig zu bedenken, dass das Ergebnis durch die Verwendung von Materialien erzielt wird, die tausendmal dünner als Seidenpapier sind.

Eine Zweischichtbatterie mit einer Dicke von 1 Nanometer ist hunderttausendmal dünner als eine herkömmliche Siliziumbatterie. Wenn Sie diese dünnsten Schichten in vielen Schichten verlegen, können Sie den üblichen Wirkungsgrad von Solarzellen erheblich steigern und übertreffen. Dies wird laut den Mitautoren von Grossman einen erheblichen Wettbewerb um etablierte Technologie schaffen.

Wo das Gewicht entscheidend ist, wie in Raumfahrzeugen, in der Luftfahrt und in Gebieten der Entwicklungsländer, in denen die Transportkosten erheblich sind, haben solche leichten Elemente bereits ein großes Potenzial.

Im Vergleich zum Gewicht produzieren die neuen Solarmodule bis zu 1000-mal mehr Energie als herkömmliche Batterien. Gleichzeitig übertrifft die dünnste der bisher hergestellten konventionellen Technologie Solarzellen die neuen um das 50-fache.

Dies ist nicht nur die Leichtigkeit des Transports, sondern auch die Leichtigkeit der Installation der Module, da die Hälfte der Kosten der heutigen Solarmodule die Kosten für die tragende Struktur und das Verbindungs- und Steuerungssystem sind. Diese Kosten können durch die Verwendung leichterer Designs erheblich reduziert werden.

Darüber hinaus ist das Material selbst viel billiger als Silizium mit der erforderlichen Reinheit, das in Standardsolarzellen verwendet wird, da die Folien so dünn sind, dass sie eine sehr geringe Menge an Ausgangsmaterialien erfordern.

Dies ist ein beeindruckendes Beispiel dafür, wie nanostrukturierte Materialien die Grundlage für die Entwicklung der neuesten Energiegeräte bilden können. Es wird auch erwartet, dass die mechanische Festigkeit und Flexibilität dieser dünnen Schichten hoch ist. Entwickler sagen, dies sei nur der Beginn einer neuen Generation von Materialien für die Solarenergie.

Einerseits sind Molybdändisulfid und Molybdändislenid, die in diesem Projekt verwendet werden, nur zwei der vielen zweidimensionalen Materialien, die hier möglicherweise verwendet werden könnten, ganz zu schweigen von ihren verschiedenen Kombinationen für die gemeinsame Verwendung.

Forscher glauben, dass viele Materialien untersucht werden müssen und die Bedingungen für die Reflexion bereits geschaffen wurden. Wissenschaftler können diese Materialien nun auf völlig neue Weise betrachten.

Und obwohl es derzeit keine industriellen Verfahren zur Herstellung von Molybdändisulfid und Molybdändislenid gibt, ist dies ein Bereich aktiver Forschung. Die Herstellbarkeit ist ein wesentliches Problem, aber dieses Problem ist lösbar.

Ein zusätzlicher Vorteil solcher Materialien ist ihre Langzeitstabilität auch im Freien, während andere Solarmaterialien eine Schutzbeschichtung mit schweren Glasschichten erfordern, was ebenfalls teuer ist. Tatsächlich besteht Beständigkeit gegen ultraviolettes Licht und Feuchtigkeit, was die neue Lösung sehr zuverlässig macht.

Die Vorarbeiten umfassten nur die Computermodellierung von Materialien, aber jetzt versucht eine Gruppe von Wissenschaftlern, die Geräte selbst herzustellen. Natürlich ist dies nur die Spitze des Eisbergs, wenn man zweidimensionale Materialien verwendet, um "saubere Energie" zu erzeugen, sagen Wissenschaftler.