Hawk-Supercomputer verbessert die Effizienz von Solarzellen

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Forscher der Universität Paderborn nutzen den Hawk-Supercomputer und „Lean into Imperfection“, um die Effizienz von Solarzellen zu verbessern

Solarenergie ist eine der vielversprechendsten und am weitesten verbreiteten erneuerbaren Energiequellen, aber die Steigerung der Effizienz von Solarzellen, die Licht in Elektrizität umwandeln, bleibt eine Herausforderung. Wissenschaftler haben sich an das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart gewandt, um zu verstehen, wie die strategische Gestaltung von Unvollkommenheiten im System zu einer effizienteren Energieumwandlung führen könnte.

Seit der Jahrhundertwende hat Deutschland große Fortschritte in der Solarenergieproduktion gemacht. Während das Land im Jahr 2000 weniger als ein Prozent seines Stroms mit Solarenergie erzeugte, waren es im Jahr 2022 bereits rund 11 Prozent. Eine Kombination aus lukrativen Subventionen für Hausbesitzer und technologischen Fortschritten zur Senkung der Kosten für Solarmodule trugen zu diesem Wachstum bei.

Angesichts globaler Konflikte, die die Zuverlässigkeit der Öl- und Erdgasmärkte beeinträchtigen, wird Solarenergie in den kommenden Jahren eine noch größere Rolle bei der Deckung des deutschen Energiebedarfs spielen. Obwohl die Solartechnologie im letzten Vierteljahrhundert große Fortschritte gemacht hat, haben die Solarzellen in modernen Solarmodulen im Durchschnitt immer noch nur einen Wirkungsgrad von etwa 22 Prozent.

Um die Effizienz von Solarzellen zu verbessern, hat ein Forscherteam um Prof. Wolf Gero Schmidt von der Universität Paderborn mithilfe von Hochleistungsrechnern (HPC) am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) untersucht, wie diese funktionieren Zellen wandeln Licht in Elektrizität um. Kürzlich hat das Team den Hawk-Supercomputer des HLRS verwendet, um herauszufinden, wie die Entwicklung bestimmter strategischer Verunreinigungen in Solarzellen die Leistung verbessern könnte.

„Unsere Motivation hierfür ist zweifach: An unserem Institut in Paderborn arbeiten wir seit geraumer Zeit an einer Methode, um die Dynamik optisch angeregter Materialien mikroskopisch zu beschreiben, und wir haben eine Reihe bahnbrechender Arbeiten zu diesem Thema veröffentlicht letzten Jahren“, sagte Schmidt. „Aber vor kurzem bekamen wir eine Frage von Mitarbeitern des Helmholtz-Zentrums Berlin, die uns baten, ihnen zu helfen, die grundlegende Funktionsweise dieser Zellen zu verstehen, also beschlossen wir, unsere Methode anzuwenden und zu sehen, was wir tun könnten.“

Kürzlich hat das Team mithilfe von Hawk simuliert, wie Exzitonen – ein Paar aus einem optisch angeregten Elektron und dem von ihm hinterlassenen Elektron-„Loch“ – innerhalb von Solarzellen gesteuert und bewegt werden können, sodass mehr Energie eingefangen wird. Bei seiner Forschung machte das Team eine überraschende Entdeckung: Es stellte fest, dass bestimmte Defekte im System, die strategisch eingeführt wurden, den Exzitonentransfer verbessern würden, anstatt ihn zu behindern. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Entwicklung von Solarzellen für eine effizientere Energieumwandlung

Die meisten Solarzellen bestehen, ähnlich wie viele moderne Elektronikgeräte, hauptsächlich aus Silizium. Nach Sauerstoff ist es gemessen an der Masse das zweithäufigste chemische Element auf der Erde. Rund 15 Prozent unseres gesamten Planeten bestehen aus Silizium, darunter 25,8 Prozent der Erdkruste. Der Grundstoff für eine klimafreundliche Energieerzeugung ist somit reichlich vorhanden und nahezu überall verfügbar.

Allerdings hat dieses Material gewisse Nachteile bei der Erfassung der Sonnenstrahlung und deren Umwandlung in Elektrizität. In herkömmlichen Solarzellen auf Siliziumbasis übertragen Lichtteilchen, sogenannte Photonen, ihre Energie auf verfügbare Elektronen in der Solarzelle. Die Zelle nutzt diese angeregten Elektronen dann, um einen elektrischen Strom zu erzeugen.

Das Problem? Hochenergetische Photonen liefern weit mehr Energie, als Silizium in Strom umwandeln kann. Violette Lichtphotonen haben beispielsweise eine Energie von etwa drei Elektronenvolt (eV), aber Silizium ist nur in der Lage, etwa 1,1 eV dieser Energie in Elektrizität umzuwandeln. Der Rest der Energie geht als Wärme verloren, was sowohl eine verpasste Gelegenheit zur Gewinnung zusätzlicher Energie darstellt als auch die Leistung und Haltbarkeit der Solarzellen verringert.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler begonnen, nach Möglichkeiten zu suchen, einen Teil dieser überschüssigen Energie umzuleiten oder auf andere Weise einzufangen. Während mehrere Methoden untersucht werden, hat sich Schmidts Team auf die Verwendung einer moleküldünnen Schicht aus Tetracen, einem anderen organischen Halbleitermaterial, als oberste Schicht einer Solarzelle konzentriert.

Im Gegensatz zu Silizium spaltet Tetracen, wenn es ein hochenergetisches Photon empfängt, die resultierenden Exzitonen in zwei Anregungen mit niedrigerer Energie in einem Prozess auf, der als Singulettspaltung bekannt ist. Durch die Platzierung einer sorgfältig gestalteten Grenzschicht zwischen Tetracen und Silizium können die resultierenden niederenergetischen Exzitonen von Tetracen in Silizium übertragen werden, wo der größte Teil ihrer Energie in Elektrizität umgewandelt werden kann.

Nützlichkeit in der Unvollkommenheit

Unabhängig davon, ob Tetracen oder ein anderes Material zur Verstärkung herkömmlicher Solarzellen verwendet wird, haben sich Forscher darauf konzentriert, die perfekte Schnittstelle zwischen den Bestandteilen einer Solarzelle zu entwerfen, um die bestmöglichen Bedingungen für den Exzitonentransfer zu schaffen.

Schmidt und sein Team nutzen von Anfang an Molekulardynamiksimulationen (AIMD), um zu untersuchen, wie Partikel in einer Solarzelle interagieren und sich bewegen. Mit Zugang zu Hawk ist das Team in der Lage, rechenintensive Berechnungen durchzuführen, um zu beobachten, wie mehrere hundert Atome und ihre Elektronen miteinander interagieren. Das Team verwendet AIMD-Simulationen, um die Zeit in Femtosekundenintervallen voranzutreiben, um zu verstehen, wie Elektronen mit Elektronenlöchern und anderen Atomen im System interagieren. Ähnlich wie andere Forscher versuchte das Team, seine Berechnungsmethode zu nutzen, um Unvollkommenheiten im System zu identifizieren und nach Möglichkeiten zu suchen, es zu verbessern.

Auf der Suche nach der perfekten Schnittstelle fanden sie eine Überraschung: dass eine unvollständige Schnittstelle möglicherweise besser für den Exzitonentransfer geeignet ist. In einem Atomsystem haben Atome, die nicht vollständig gesättigt sind, also nicht vollständig an andere Atome gebunden sind, sogenannte „baumelnde Bindungen“. Forscher gehen normalerweise davon aus, dass freie Bindungen zu Ineffizienzen in elektronischen Schnittstellen führen. In seinen AIMD-Simulationen stellte das Team jedoch fest, dass freie Bindungen aus Silizium tatsächlich einen zusätzlichen Exzitonentransfer über die Schnittstelle förderten.

„Ein Defekt bedeutet immer, dass es etwas Unerwünschtes in einem System gibt, aber das trifft in unserem Fall nicht wirklich zu“, sagte Prof. Uwe Gerstmann, Professor an der Universität Paderborn und Mitarbeiter des Projekts. „In der Halbleiterphysik haben wir Defekte, die wir Donatoren oder Akzeptoren nennen, bereits strategisch genutzt und helfen uns beim Bau von Dioden und Transistoren. Aus strategischer Sicht können Fehler uns also durchaus dabei helfen, neuartige Technologien aufzubauen.“

Dr. Marvin Krenz, Postdoktorand an der Universität Paderborn und Hauptautor der Arbeit des Teams, wies auf den Widerspruch in den Ergebnissen des Teams im Vergleich zum aktuellen Stand der Solarzellenforschung hin. „Es ist für uns ein interessanter Punkt, dass die aktuelle Forschungsrichtung dahin geht, immer perfektere Schnittstellen zu entwerfen und Fehler um jeden Preis zu beseitigen.“ „Unser Artikel könnte für die größere Forschungsgemeinschaft interessant sein, weil er einen anderen Weg aufzeigt, wenn es um die Gestaltung dieser Systeme geht“, sagte er.

Ausgestattet mit dieser neuen Erkenntnis plant das Team nun, seine zukünftige Rechenleistung sozusagen für die Entwicklung von Schnittstellen zu nutzen, die vollkommen unvollkommen sind. Da das Team weiß, dass baumelnde Bindungen aus Silizium dazu beitragen können, diesen Exzitonentransfer zu fördern, möchte es mithilfe von AIMD zuverlässig eine Schnittstelle mit verbessertem Exzitonentransfer entwerfen. Für das Team ist es nicht das Ziel, über Nacht die perfekte Solarzelle zu entwerfen, sondern nachfolgende Generationen der Solartechnologie immer weiter zu verbessern.

„Ich bin zuversichtlich, dass wir die Effizienz der Solarzellen im Laufe der Zeit weiterhin schrittweise verbessern werden“, sagte Schmidt. „In den letzten Jahrzehnten konnten wir bei den verschiedenen Solarzellenarchitekturen eine durchschnittliche jährliche Effizienzsteigerung von etwa 1 % beobachten. Untersuchungen wie die hier durchgeführte zeigen, dass in Zukunft mit weiteren Steigerungen zu rechnen ist. Grundsätzlich ist durch die konsequente Nutzung der Singulettspaltung eine Effizienzsteigerung um den Faktor 1,4 möglich.“

-Eric Memorial

Verwandte Veröffentlichung: Krenz, M., U. Gerstmann und WG Schmidt „Defektunterstützter Exzitonentransfer über die Tetracen-Si(111):H-Schnittstelle“, Briefe zur körperlichen Untersuchung 132 (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.076201

Die Finanzierung von Hawk erfolgte durch das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und das Bundesministerium für Bildung und Forschung über das Gauss Centre for Supercomputing (GCS).

Mit freundlicher Genehmigung von Gauss Center for Supercomputing