190 % Quanteneffizienz sind möglich

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Die Intertubes erhellten heute die Nachricht von einer neuen, 190 % effizienten Solarzelle, die fossilen Brennstoffen endgültig den Garaus machen könnte. Die Forschung befindet sich noch im Proof-of-Concept-Stadium, aber andere Solarzellen, die die 100-Prozent-Marke überschreiten, sind bereits in der Entwicklung, also ist alles möglich. Wenn Sie jedoch denken, dass dies die theoretische Grenze von Shockley-Queisser sprengt, dann raten Sie noch einmal.

Je nachdem, was das bedeutet, können Solarzellen einen Wirkungsgrad von über 100 % erreichen

Die Shockley-Queisser-Grenze bezieht sich auf die Fähigkeit von Solarzellen, Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln. Die Theorie entstand in den 1960er Jahren, um die Obergrenze der grundlegenden Silizium-Photovoltaiktechnologie zu beschreiben. Der anfängliche Grenzwert wurde auf 30 % festgelegt und später auf 33,7 % angehoben.

Dadurch verbleibt ziemlich viel Sonnenlicht zwecklos herum, aber komplexere Solarzellen können problemlos 33,7 % überschreiten. Zum Beispiel im Jahr 2022 Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Deutschland erreichte 47,6 % für eine Solarzelle, die eine Schicht aus Galliumindiumphosphid und Aluminiumgalliumarsenid sowie eine weitere Schicht aus Galliumindiumarsenidphosphid und Galliumindiumarsenid kombiniert.

Die Photovoltaik-Technologie kann auch optimiert werden, um durch die Gewinnung von Wärme und Licht höhere Wirkungsgrade zu erzielen, und das beschreibt die Vorgänge im Labor des Physikprofessors Chinedu Ekuma von der Lehigh University in Pennsylvania.

Ekumas Team entwickelte den Machbarkeitsnachweis für eine neue Solarzelle, die Energie aus reflektiertem Licht und Wärme sowie direktem Sonnenlicht einfängt, um den externen Quantenwirkungsgrad von 190 % zu erreichen, was nicht dasselbe ist wie der Umwandlungswirkungsgrad.

„Bei herkömmlichen Solarzellen der maximale EQE [external quantum efficiency] beträgt 100 %, was die Erzeugung und Sammlung eines Elektrons für jedes vom Sonnenlicht absorbierte Photon darstellt. Einige in den letzten Jahren entwickelte fortschrittliche Materialien und Konfigurationen haben jedoch die Fähigkeit bewiesen, mehr als ein Elektron aus hochenergetischen Photonen zu erzeugen und zu sammeln. was einem EQE von über 100 % entspricht,„Erklärte die Lehigh University in einer Pressemitteilung.

Was ist externe Quanteneffizienz?

Für eine Erklärung der Quanteneffizienz wenden wir uns dem Online-Kurs zu, der 2011 von MIT-Professor Tonio Buonassisi angeboten wurde.

„’Quanteneffizienz (QE)„ist definiert als die Anzahl der pro einfallendem Photon abgegebenen Elektronen“, erklärt Buonassisi.

„Beachten Sie, dass QE lediglich eine Zählung ist: Die Energie des Elektrons oder Photons wird nicht berücksichtigt. QE wird im Allgemeinen als Funktion der Wellenlänge angegeben. QE ist ein nützliches Tool zur Fehlerbehebung, um herauszufinden, warum ein Gerät leistungsschwach ist“, fügt Buonassisi hinzu.

„QE-Werte können ziemlich hoch sein (zwischen 60 und 99 % für bestimmte Wellenlängen) und können daher von betrügerischen Personen genutzt werden, um die Umwandlungseffizienz ihres Solarzellengeräts falsch darzustellen“, schließt er.

Hinterhältige Individuen! Dazu gehört sicherlich nicht das Medienbüro in Lehigh. Sie legen großen Wert darauf, zu erklären, dass es beim neuen Proof of Concept um Quanteneffizienz und nicht um Umwandlungseffizienz geht. Genau dort steht es in der Überschrift: „Neues Quantenmaterial verspricht über 190 % Quanteneffizienz in Solarzellen.“

Warum Solarzellen mit 190 % Quanteneffizienz wichtig sind

Wenn wir uns an die Handelsorganisation Solar Manufacturing wenden, erfahren wir das auch externe Quanteneffizienz ist nicht dasselbe wie die interne Quanteneffizienz.

„Es gibt zwei Arten von Quanteneffizienz: interne und externe“, erklären sie. „Die externe Quanteneffizienz (EQE) umfasst die Reflexionsverluste der Solarzelle. Die interne Quanteneffizienz (IQE) wird um die optischen Verluste aufgrund der Reflexion an der Vorderseite der Solarzelle korrigiert.

In einer herkömmlichen Solarzelle kann der EQE bis zu 100 % erreichen, was bedeutet, dass jedes einfallende Photon ein Elektron erzeugt. Das Lehigh-Medienteam weist darauf hin, dass das Überschreiten der 100-Prozent-Grenze in der heutigen Welt der maßgeschneiderten Fertigung auf atomarer Ebene und zweidimensionaler fortschrittlicher Materialien keine Seltenheit ist.

Der Sprung auf 190 % ist noch einmal etwas anderes. Um dorthin zu gelangen, nahmen Ekum und sein Team eine zweidimensionale Verbindung aus Germaniumselenid und Zinnsulfid und füllten sie mit Atomen nullwertigen Kupfers eine nanoskalige Form von Kupfer Wird häufig bei der Umweltsanierung eingesetzt.

„Es ist ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung hocheffizienter Solarzellen der nächsten Generation, die eine entscheidende Rolle bei der Deckung des globalen Energiebedarfs spielen werden“, erklärt Ekuma. „Seine schnelle Reaktion und verbesserte Effizienz weisen deutlich auf das Potenzial von Cu-interkaliertem GeSe/SnS als Quantenmaterial für den Einsatz in fortschrittlichen Photovoltaikanwendungen hin und bieten eine Möglichkeit für Effizienzverbesserungen bei der Umwandlung von Solarenergie.“

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Von vielversprechenden Kandidaten bis zu den Solarzellen der Zukunft

Wie Professor Ekuma klarstellt, handelt es sich bei dem neuen Quantenmaterial um ein Material und nicht um eine vollwertige Solarzelle. Das wird der nächste Schritt im F&E-Prozess sein. In der Zwischenzeit können Sie dem Journal alle Details zu den neuen Materialien entnehmen Wissenschaftliche Fortschritte unter dem Titel, “Chemisch abgestimmte Zwischenbandzustände in atomar dünnem CuxGeSe/SnS Quantenmaterial für Photovoltaikanwendungen.”

Zinnsulfid wird häufig in Photovoltaikanwendungen verwendet, daher ist es keine Überraschung, dass es in der neuen Forschung auftaucht. Der Zinnwinkel ist auch im Zusammenhang mit der Perowskit-Solartechnologie aufgetaucht, einer neuen Klasse von Photovoltaikmaterialien, die auf der Struktur des natürlich vorkommenden Minerals Perowskit basieren.

Was die Lehigh University betrifft, so steht die Schule nicht so oft im Rampenlicht der Medien wie die anderen Top-Schulen in den USA. Allerdings handelt es sich bei der Einrichtung um eine wichtige Energieforschungseinrichtung und sie ist grenzüberschreitend CleanTechnica Radar regelmäßig.

Die neueste Ergänzung zu den Forschungsressourcen der Schule ist ein neuer solarthermischer Konzentrator auf dem Mountaintop-Campus installiert.

„Die neue Ausrüstung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Lehighs Energy Research Center (ERC; Dr. Romero ist der Direktor), der Abteilung für Maschinenbau und Mechanik (MEM) und dem Industriepartner Solarflux Energy Technologies“, erklärt Lehigh.

Auch Solarflux ist ein bekanntes Gesicht CleanTechnicaBleiben Sie also dran, um mehr über die Mountaintop-Installation zu erfahren. Wie von Lehigh beschrieben, ist die Parabolrinnen-Wärmekonzentrationstechnologie des Unternehmens damit gekoppelt ein High-Tech-Solar-Tracking-System Ausrichtung auf die Sonne für maximale Effizienz den ganzen Tag über.

Zu den bereits geplanten Forschungsprojekten für das neue Solarflux-System zählt die Schule Solarthermie, thermische Energiespeicherung und thermochemische solare Wasseraufspaltung. Bleiben Sie also auf dem Laufenden, um mehr darüber zu erfahren.

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Foto (beschnitten): Proof of Concept für ein neues Photovoltaikmaterial könnte zu Solarzellen der nächsten Generation führen (mit freundlicher Genehmigung des US-Energieministeriums).