Könnte es eine günstige, umweltfreundliche Alternative zur heutigen Solartechnik geben? Dank einer viel effizienteren Solarzelle, die mithilfe von EU-Forschungsmitteln entwickelt wurde, ist das möglich.
Forschende, die von den EU-finanzierten Projekten HEINSOL, PREBIST und DISCOVER unterstützt werden, haben mit einer neuartigen, ultradünnen Solarzelle vielleicht eine viel bessere Alternative zur derzeitigen Solartechnologie gefunden. Die aus Nanokristallen mit Silber- und Wismutatomen hergestellte Solarzelle könnte dazu beitragen, unsere Abhängigkeit von giftigen Elementen wie Blei oder seltenen Elementen wie Indium zu verringern, die gegenwärtig zur Herstellung ultradünner Solarzellen benötigt werden.
In ihrer in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlichten Studie beschreiben die Forscherinnen und Forscher, wie eine gleichmäßige Verteilung von Silber- und Wismutatomen auf dem Solarzellenmaterial zu einer größeren als bei anderen Photovoltaik-Materialien beobachteten Lichtabsorption führte. Dadurch konnte mehr Energie erzeugt werden. Außerdem erreichten ihre umweltfreundlichen, 30 nm dicken Solarzellen einen beeindruckenden Wirkungsgrad von 9,17 %, was bedeutet, dass 9,17 % der aus dem Sonnenlicht gewonnenen Energie in Strom umgewandelt wurden. Die Zellen behielten auch unter Umgebungsbedingungen eine hohe Stabilität, was auf eine geringere Degradation der Zelle über lange Zeiträume hinweg hindeutet.
„Wir sind begeistert, dass unsere Berechnungsmodelle dazu beigetragen haben, die Leistung dieser Wismut-Solarzellen derart stark zu steigern“, erklärt Seán Kavanagh, Doktorand und Mitautor der Studie, vom University College London, dem Projektträger von DISCOVER, in einer auf der Website der Universität veröffentlichten Pressemitteilung. Die auf quantenmechanischen Modellen beruhenden Berechnungen mussten manchmal auf mehr als 10 000 Prozessoren in einem Netzwerk durchgeführt werden, die 24 Stunden lang gleichzeitig arbeiteten.Die Nanokristalle auf Wismutbasis bestehen nicht nur aus ungiftigen Elementen, die in der Natur reichlich vorhanden sind, sie sind zudem günstig in der Herstellung. Das Solarzellenmaterial ist Berichten zufolge 10 bis 50 Mal dünner als die derzeitige Dünnschicht-Photovoltaik. Außerdem ist es 1 000 mal dünner als Silizium-Photovoltaik, die sperrig und kostspielig ist und viel Energie in der Herstellung verbraucht. „Die Ergebnisse verdeutlichen, wie unsere Forschung, die sich mit der zugrundeliegenden Chemie und Physik von Materialien befasst, bei der Entwicklung von leistungsstarken und kostengünstigen Geräten helfen und eine ökologische Wirtschaft unterstützen kann“, so Kavanagh.
„Die in dieser Studie vorgestellten Elemente stellen einen Rekord unter den umweltfreundlichen anorganischen Niedrigtemperatur- und Lösungsprozess-Solarzellen in Bezug auf Stabilität, Formfaktor und Leistung auf“, so der Hauptautor der Studie, Prof. Gerasimos Konstantatos vom HEINSOL-Projektträger und PREBIST-Projektpartner ICFO – Institut de Ciencies Fotoniques, Spanien, in derselben Pressemitteilung. „Wir sind von den Ergebnissen begeistert und werden diese Studien fortsetzen, um die faszinierenden Eigenschaften [der präzise hergestellten Nanokristalle] in der Photovoltaik und in anderen optoelektronischen Geräten zu nutzen.“
Die erhebliche Steigerung des Wirkungsgrads von Solarzellen, die bisher mit Unterstützung der Projekte HEINSOL (Hierarchically Engineered Inorganic Nanomaterials from the atomic to supra-nanocrystalline level as a novel platform for SOLution Processed SOLar cells), PREBIST (COFUND BIST PREDOCTORAL PROGRAMME) und DISCOVER (Design of Mixed Anion Inorganic Semiconductors for Energy Conversion) erreicht wurde, lässt vermuten, dass weitere Verbesserungen möglich sind. „Ziel ist es, den Wirkungsgrad weiter zu verbessern, sodass er mit Solarzellen auf Siliziumbasis vergleichbar ist“, so Kavanagh.
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