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City University London

Neuartige Solarzellen sollen das Sonnenspektrum besser nutzen

Solar Cell
© gerhardt12 / Pixabay

Heutige Solarzellen aus kristallinem Silizium können das Sonnenspektrum nur bis zu 33 Prozent absorbieren. Forschende der City University London entwickeln daher eine Solarzelle, die plasmonische und oberflächentechnische Eigenschaften kombiniert, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Die gesamte von der Sonne täglich erzeugte Energiemenge reicht aus, um den Energiebedarf der Erde für 27 Jahre zu decken. Die Technologie, um von Strom aus Sonnenlicht zu erzeugen, ist zwar vielversprechend, muss aber dringend weiterentwickelt werden.

Die überwiegende Mehrheit der heute verfügbaren Solarzellen besteht aus kristallinem Silizium (c-Si). Allerdings absorbiert c-Si das Sonnenspektrum nicht sehr effizient. Der theoretische maximale Wirkungsgrad für eine solche Solarzellen mit einem pn-Übergang wurde mit 33 Prozent angegeben und ist als Schockley-Queisser-Grenze (S-Q) bekannt. Seitdem haben sich die Forschungsanstrengungen darauf konzentriert, diese S-Q-Grenze zu überwinden, beispielsweise mithilfe von Mehrfach-Solarzellen, organischen Solarzellen oder Perowskit.

Hinzu kommt, dass der hohe Brechungsindex-Kontrast zwischen Luft und Silizium zu einer starken Fresnel-Reflexion an der Grenzfläche zwischen Luft und Silizium führt. Eine Methode, diese hohe Fresnel-Reflexion zu überwinden und damit die Absorption zu verbessern, besteht darin, die Solarzellen mit einem Muster aus metallischen Partikeln (d. h. plasmonische Solarzellen) oder einem Texturierungsmuster auf deren Oberfläche zu versehen. Die Grundidee plasmonischer Solarzellen besteht also darin, ein Metallteilchen entweder auf der Oberfläche oder im Inneren des aktiven Materials zu platzieren.

Mit Unterstützung des Marie-Skłodowska-Curie-Programms der EU entwickeln Dr. Francisco Cabrera und Professor Azizur Rahman von der City University London eine Solarzelle, die plasmonische Eigenschaften und Oberflächenstrukturierung kombiniert, um die heute übliche c-Si-Solarzelle zu ersetzen.

Reflexionen gezielt nutzen

Üblicherweise wird ein Teilchen in Nanogröße betrachtet, das kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist. Daher erfährt das Teilchen ein gleichmäßiges Feld und schwingt bei seiner Resonanzfrequenz, wenn die einfallende Welle es durchläuft, anstatt die einfallende Welle zu reflektieren.

Infolgedessen steigt die Lichtmenge, die in die aktive Schicht der Solarzelle eindringt. Diese Leistungssteigerung betrifft nur einen begrenzten Teil des Sonnenspektrums im Bereich der Resonanzfrequenz des Metallpartikels. Der Hauptzweck der Texturierung auf der Oberfläche der Solarzelle besteht darin, die Anzahl der Rückstrahlungen des Sonnenlichts auf die Oberfläche aufgrund mehrfacher Lichtreflexionen innerhalb des Bereichs zwischen den Elementen des Musters zu erhöhen.

Diese Mehrfachreflexionen sollen die Wahrscheinlichkeit der Lichtabsorption erhöhen. Texturierungsmuster können darüber hinaus einen zusätzlichen Vorteil bieten.

Das übergeordnete Ziel dieses City-Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines neuen, einfachen Texturierungsmusters, um die Absorption von Silizium-Solarzellen über den gesamten Bereich des Sonnenspektrums zu verbessern, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen. Dabei wird die Leistungsverbesserung mehrerer Texturmuster, die sich auf verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums auswirken, und plasmonischer Metallpartikel genutzt und kombiniert, um die Leistungüber einen breiten Wellenlängenbereich zu verbessern.


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