Solarzellen
Veröffentlicht auf 27. Oktober 2020 |
von Steve Hanley
27. Oktober 2020 durch Steve Hanley
Forscher der University of York in Großbritannien haben in Zusammenarbeit mit der NOVA University of Lisbon einen Weg gefunden, die Leistung von Solarzellen um bis zu 125% zu steigern. Regelmäßige Leser wissen, dass ich mathematisch herausgefordert bin, daher werde ich nicht in eine Diskussion darüber verwickelt sein, was diese Behauptung tatsächlich mathematisch bedeutet. Stattdessen werde ich die Zusammenfassung ihrer Studie, die kürzlich von der Zeitschrift veröffentlicht wurde, veröffentlichen lassen Optica, für sich selbst sprechen. (Hinweis: Die Studie wird gemäß a Creative Commons Attribution 4.0-Lizenz.)
In diesem Bericht sind viele technische Informationen enthalten. Wenn Sie also an den Grundlagen dieser Entdeckung interessiert sind, können Sie sich gerne näher damit befassen. Der Artikel trägt den Titel „Lichteinfang in Solarzellen: einfache Entwurfsregeln zur Maximierung der Absorption“ und wurde von Kezheng Li, Sirazul Haque, Augusto Martins, Elvira Fortunato, Rodrigo Martins, Manuel J. Mendes und Christian S. Schuster verfasst.
Solarzellen können stark von optischen Strategien profitieren, die die gewünschte Breitbandabsorption von Sonnenlicht und folglich eine hohe Umwandlungseffizienz bereitstellen können. Während viele diffraktive Lichteinfangstrukturen hohe Absorptionsverbesserungen aufweisen, hängt ihre industrielle Anwendung eher von der Einfachheit hinsichtlich der Integration in das Solarzellenkonzept und die Prozesstechnologie ab. Hier zeigen wir, wie einfache Gitterlinien funktionieren können, sowie fortschrittliche Lichteinfangdesigns. Wir verwenden ein flaches und periodisches Gitter als Grundelement einer quasi zufälligen Struktur, die sich hervorragend für die industrielle Massenproduktion eignet. Seine Schachbrettanordnung unterbricht die Spiegelsymmetrie und erhöht beispielsweise den Volumenstrom einer 1 um-Platte aus kristallinem Silizium um 125%. Wir erklären seine hervorragende Leistung, indem wir eine direkte Verbindung zwischen der Fourier-Reihe einer Struktur und dem implizierten Photostrom herstellen, der aus einer großen und vielfältigen Menge von Strukturen abgeleitet ist. Unsere Entwurfsregel erfüllt somit alle relevanten Aspekte des Lichteinfangs für Solarzellen und ebnet den Weg für einfache, praktische und dennoch herausragende diffraktive Strukturen mit potenziellen Auswirkungen über photonische Anwendungen hinaus.
Die Bedeutung dieser Forschung besteht darin, dass viel dünnere Schichten von Photovoltaik-Silizium verwendet werden können, um die gleiche Strommenge zu erzeugen wie die dickeren Siliziumzellen, die heute bei der Herstellung von Solarmodulen verwendet werden. Dr. Christian Schuster von der Das Institut für Physik der Universität York sagt: „Wir haben einen einfachen Trick gefunden, um die Absorption schlanker Solarzellen zu steigern. Unsere Untersuchungen zeigen, dass unsere Idee tatsächlich mit der Absorptionsverbesserung anspruchsvollerer Designs konkurriert und gleichzeitig mehr Licht tief in der Ebene und weniger Licht in der Nähe der Oberflächenstruktur selbst absorbiert.
„Unsere Entwurfsregel erfüllt alle relevanten Aspekte des Lichteinfangs für Solarzellen und ebnet den Weg für einfache, praktische und dennoch herausragende diffraktive Strukturen mit potenziellen Auswirkungen über photonische Anwendungen hinaus. Dieses Design bietet das Potenzial, Solarzellen weiter in dünnere, flexible Materialien zu integrieren und somit mehr Möglichkeiten zu schaffen, Solarenergie in mehr Produkten zu nutzen.
„Im Prinzip würden wir zehnmal mehr Solarenergie mit der gleichen Menge Absorbermaterial einsetzen. Zehnmal dünnere Solarzellen könnten einen raschen Ausbau der Photovoltaik ermöglichen, die Solarstromproduktion steigern und unseren CO2-Fußabdruck erheblich verringern. Da das Raffinieren des Siliziumrohstoffs ein so energieintensiver Prozess ist, würden zehnmal dünnere Siliziumzellen nicht nur den Bedarf an Raffinerien verringern, sondern auch weniger kosten, was unseren Übergang zu einer umweltfreundlicheren Wirtschaft ermöglicht. “
Die folgende Grafik zeigt einige der von den Forschern in Betracht gezogenen Vorkehrungen. Am Ende erwies sich die Schachbrettanordnung als am einfachsten herzustellen und am effektivsten, um die Leistung von Solarzellen zu steigern.
Bildnachweis: University of York über Optica
Für diejenigen unter Ihnen, die sich gerne mit den Details befassen, zeigt die folgende Grafik, wie die Schachbrettanordnung den Sweet Spot für die Steigerung der von einer Solarzelle erzeugten Strommenge erreicht. Der Übersichtlichkeit halber wird hier die Beschriftung dieser Grafik vollständig dargestellt.
„(A) Darstellung der photonischen Domäne und der rechnerischen Einheitszelle des Schachbretts. (b) Die Parameterkarte zeigt die berechnete maximal erreichbare Photostromdichte ?max als Funktion der Gitterperiode und der Domänengröße. Der Einschub zeigt die Testzelle mit der Schachbrettstruktur darüber. Die Linienbreite wird hier auf der Hälfte der Gitterperiode gehalten. Der rote Punkt markiert den optimalen Parametersatz, der die Breitbandabsorption in der 1-µm-c-Si-Schicht maximiert. “
Bildnachweis: University of York über Optica
Ich habe einige Schlagzeilen zu dieser Geschichte gesehen, die darauf hindeuten, dass die Forscher herausgefunden haben, wie man zehnmal mehr Strom aus einer Photovoltaikzelle gewinnt. Das ist eindeutig falsch. Sie haben einen Weg gefunden, ein Zehntel der Menge an Photovoltaik-Silizium für die Herstellung von Sonnenkollektoren zu verwenden. Durch dünnere Zellen wird das Silizium effizienter genutzt, wodurch die Kosten für Solarmodule gesenkt werden könnten. Sie können auch leichtere, flexiblere Solarmodule ermöglichen. Unabhängig davon, wie Sie es in Scheiben schneiden, ist diese Forschung eine gute Nachricht für den Übergang von fossilen Brennstoffen zu emissionsfreiem Strom.
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Über den Autor
Steve Hanley Steve schreibt über die Schnittstelle zwischen Technologie und Nachhaltigkeit in seinen Häusern in Florida und Connecticut oder anderswo, wo ihn die Singularität führen könnte. Du kannst ihm folgen Twitter aber nicht auf Social-Media-Plattformen, die von bösen Overlords wie Facebook betrieben werden.