Neues Material könnte die Leistung von Solarmodulen verdoppeln

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Der Weg in eine kohlenstoffarme Zukunft erscheint vielen Menschen als dürftig. Wie werden wir jemals dorthin gelangen, wenn wir uns auf die Werkzeuge beschränken, die wir heute haben? Keine Sorge, lieber Leser. Nichts in diesem Leben bleibt jemals gleich. Was wäre, wenn es möglich wäre, die Leistung von Solarmodulen zu verdoppeln? Würde das Ihre Stimmung heben? In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Forschungsstudie Wissenschaftliche Fortschritte Am 10. April 2024 gaben Wissenschaftler der Lehigh University bekannt, dass sie ein Material entwickelt haben, das das Potenzial hat, die Effizienz von Solarmodulen drastisch zu steigern.

Hier ist die Zusammenfassung dieser Forschungsarbeit:

Eine neue Generation von Quantenmaterial, das aus der Interkalation nullwertiger Atome wie Cu in die intrinsische Van-der-Waals-Lücke an der Grenzfläche einer atomar dünnen zweidimensionalen GeSe/SnS-Heterostruktur entsteht, wird entworfen und ihre optoelektronischen Eigenschaften werden für die Photovoltaik der nächsten Generation untersucht Anwendungen.

Fortschrittlich von Anfang an Modellierungen zeigen, dass Vielteilcheneffekte Zwischenbandzustände mit Subbandlücken (~0,78 und 1,26 Elektronenvolt) induzieren, die ideal für Solargeräte der nächsten Generation sind, die einen Wirkungsgrad über der Shockley-Queisser-Grenze von ~32 % versprechen.

Die Ladungsträger am Heteroübergang sind sowohl energetisch als auch spontan räumlich begrenzt, was die strahlungslose Rekombination reduziert und die Quanteneffizienz steigert. Die Verwendung dieses IB-Materials in einem Solarzellen-Prototyp verbessert die Absorption und Ladungsträgererzeugung im Bereich des nahen Infrarots bis zum sichtbaren Licht.

Die Abstimmung der Dicke der aktiven Schicht erhöht die optische Aktivität bei Wellenlängen über 600 nm und erreicht über einen breiten solaren Wellenlängenbereich eine externe Quanteneffizienz von mehr als 190 %, was ihr Potenzial in der fortschrittlichen Photovoltaiktechnologie unterstreicht.

Hochleistungs-Solarmodule

Laut a Pressemitteilung von Lehigh Bei der Ankündigung der Veröffentlichung der Forschungsergebnisse gibt die Universität an, dass ein Prototyp, der das Material als aktive Schicht in einer Solarzelle verwendet, eine durchschnittliche photovoltaische Absorption von 80 %, eine hohe Erzeugungsrate fotoangeregter Ladungsträger und eine externe Quanteneffizienz von bis zu 190 aufweist %. „Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis und der Entwicklung nachhaltiger Energielösungen dar und hebt innovative Ansätze hervor, die die Effizienz und Zugänglichkeit von Solarenergie in naher Zukunft neu definieren könnten“, sagte Chinedu Ekuma, Professor für Physik, der das Papier über die Entwicklung veröffentlichte des Materials mit dem Lehigh-Doktoranden Srihari Kastuar.

Der Effizienzsprung des Materials ist größtenteils auf seine charakteristischen „Zwischenbandzustände“ zurückzuführen, spezifische Energieniveaus, die in der elektronischen Struktur des Materials so positioniert sind, dass sie sich ideal für die Umwandlung von Solarenergie eignen. Diese Zustände haben Energieniveaus innerhalb der optimalen Subbandlücken – Energiebereiche, in denen das Material Sonnenlicht effizient absorbieren und Ladungsträger erzeugen kann – von etwa 0,78 und 1,26 Elektronenvolt. Darüber hinaus weist das Material eine besonders gute Absorption im infraroten und sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.

Konventionelle Grenzen überschreiten

In herkömmlichen Solarzellen beträgt die maximale EQE 100 %, was der Erzeugung und Sammlung eines Elektrons für jedes vom Sonnenlicht absorbierte Photon entspricht. 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 einer EQE von über 100 % entspricht.

Obwohl solche MEG-Materialien (Multiple Exciton Generation) noch nicht umfassend kommerzialisiert wurden, bergen sie das Potenzial, die Effizienz von Solarstromsystemen erheblich zu steigern. In dem von Forschern der Lehigh University entwickelten Material ermöglichen die Zwischenbandzustände das Einfangen von Photonenenergie, die bei herkömmlichen Solarzellen verloren geht, unter anderem durch Reflexion und Wärmeerzeugung.

Die Forscher entwickelten das neuartige Material, indem sie sich „Van-der-Waals-Lücken“ zunutze machten – atomar kleine Lücken zwischen geschichteten zweidimensionalen Materialien. Diese Lücken können Moleküle oder Ionen einschließen. Materialwissenschaftler verwenden sie üblicherweise, um andere Elemente einzufügen oder zu „interkalieren“, um Materialeigenschaften abzustimmen. Um ihr neuartiges Material zu entwickeln, fügten die Lehigh-Forscher Atome aus nullwertigem Kupfer zwischen Schichten eines zweidimensionalen Materials aus Germaniumselenid (GeSe) und Zinnsulfid (SnS) ein. Professor Ekuma, ein Experte für computergestützte Physik der kondensierten Materie, entwickelte den Prototyp als Proof of Concept, nachdem umfangreiche Computermodellierungen des Systems theoretisch vielversprechend waren.

„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“, sagte er. „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.“

Obwohl die Integration des neu entwickelten Quantenmaterials in aktuelle Solarenergiesysteme weiterer Forschung und Entwicklung bedarf, weist Ekuma darauf hin, dass die experimentelle Technik zur Herstellung dieser Materialien bereits weit fortgeschritten ist. Wissenschaftler haben im Laufe der Zeit eine Methode beherrscht, mit der Atome, Ionen und Moleküle präzise in Materialien eingefügt werden. Die Forschung wurde teilweise durch einen Zuschuss des US-Energieministeriums finanziert.

Was könnten Solarmodule mit hoher Leistung bedeuten?

Sie brauchen keinen Wettermann, der weiß, aus welcher Richtung der Wind weht, und Sie brauchen keinen Wissenschaftler, der Ihnen sagt, dass Solarmodule, die doppelt so viel Strom produzieren können wie die heutigen herkömmlichen Module, eine wirklich große Sache sind. Natürlich handelt es sich dabei um angewandte Forschung und es wird Jahre dauern, bis sie in die kommerzielle Produktion gelangt. Das ist bei jedem Durchbruch im Labor eine Selbstverständlichkeit. Aber wenn diese neue Technologie zum Mainstream wird, wird die Verdoppelung der Leistung von Solarparks und Solaranlagen auf Dächern von globaler Bedeutung sein.

Fortschritte in der Technologie können viele der Ängste der Menschen beseitigen, dass sich die Welt nicht schnell genug bewegt, um die Herausforderung eines sich erwärmenden Planeten zu bewältigen. Fortschrittliche Solarmodule mit hoher Leistung sind ein Beitrag zur Bewältigung dieser Herausforderung, aber es gibt noch andere. Wir haben kürzlich über den „magischen Ball“ von Heimdall Power in Norwegen berichtet, der es Netzbetreibern ermöglicht, sicher mehr Strom über bestehende HGÜ-Übertragungsleitungen zu übertragen. Wir haben kürzlich auch einen Artikel darüber geschrieben, wie der Austausch der in bestehenden Übertragungsleitungen verwendeten Drähte durch neue Drähte – ein Prozess, der als „Reconductoring“ bekannt ist – die Menge an Strom, die über diese Energiekorridore transportiert wird, erheblich steigern kann.

Meine Kollegin Tina Casey arbeitet an einer Geschichte darüber, wie Fortschritte in der Elektrofahrzeugtechnologie – kleinere, leichtere Batterien, leichtere Fahrwerkskomponenten und verbesserte Elektromotoren – die Effizienz von Elektroautos bis 2050 verdoppeln könnten. Effizientere Autos verbrauchen weniger Strom, was zu niedrigeren Kosten führt Bedarf an das Stromnetz. Mehr auf der Angebotsseite verfügbarer Strom, eine effizientere Stromverteilung und eine geringere Stromnachfrage der Verbraucher tragen dazu bei, die Krise des Stromnetzes zu vermeiden, von der Unternehmen für fossile Brennstoffe gerne schreien. (Strom zur Stromversorgung von KI ist eine völlig separate Diskussion.)

Wir sind bei weitem nicht in der Lage, die Klimakrise zu lösen, aber die Werkzeuge, die wir zur Bewältigung dieser Herausforderung benötigen, werden in Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt entwickelt. Wir werden bald über die Technologie verfügen, um eine Welt mit niedrigen Emissionen zu werden. Ob wir diese Instrumente sinnvoll einsetzen, hängt von den politischen Entscheidungen ab, die wir in Zukunft treffen. Tyrannen haben kein Interesse an einer besseren Zukunft, was Sie im Hinterkopf behalten sollten, wenn Sie später in diesem Jahr zur Wahl gehen.