Mehr Kraft aus der Solarzelle

17-05-2018 16:03:04 Autor:   TROY OAKES Kategorien:   Technologie , Forschung

Die Warwick-Forscher untersuchten die physikalischen Beschränkungen des aktuellen Designs der kommerziell gebräuchlichen Solarzellen, die eine absolute Effizienzbegrenzung aufweisen. (Bild von maria: betke, copyright)

Die Physiker an der Universität von Warwick haben neue Forschungsergebnisse in der Zeitschrift Science veröffentlicht, die im wahrsten Sinne des Wortes mehr Energie aus Solarzellen quetschen könnten, indem jeder der Kristalle in den Halbleitern der photovoltaischen Zellen physikalisch deformiert wird.

Die Arbeit mit dem Titel "Flexo-Photovoltaik-Effekt" wurde vom Professor Marin Alexe, Ming-Min Yang und Dong Jik Kim verfasst, die alle am Lehrstuhl der Physik der Universität von Warwick tätig sind.

Die Warwick-Forscher untersuchten die physikalischen Beschränkungen des aktuellen Musters der kommerziell gebräuchlichen Solarzellen und stellten deren absolute Effizienzbegrenzung fest.

Die meisten kommerziellen Solarzellen bestehen aus zwei Schichten und bilden an ihrer Grenze eine Verbindung zwischen zwei Arten von Halbleitern, den - p-Typ mit positiven Ladungsträgern (Löcher, die mit Elektronen gefüllt werden können) und den n-Typ mit negativen Ladungsträgern (Elektronen).

Wenn das Licht aufgenommen wird, hält die Verbindung der beiden Halbleitern ein internes Feld aufrecht, das die Licht-angeregten Ladungsträger in entgegengesetzte Richtungen aufteilt und einen Strom sowie eine Spannung über die Verbindung erzeugt.

Ohne solche Verbindungen kann die Energie nicht gewonnen werden, und die Licht-angeregten Ladungsträger werden einfach schnell zusammengelegt, wodurch jegliche elektrische Ladung aufgehoben wird.

Diese Verbindung zwischen den beiden Halbleitern ist von grundlegender Bedeutung, um aus einer solchen Solarzelle Strom zu bekommen, aber es gibt eine Effizienzgrenze.

Sie heißt Shockley-Queisser-Grenze und bedeutet, dass von der gesamten Leistung, die im Sonnenlicht enthalten ist und unter idealen Bedingungen auf eine ideale Solarzelle fällt, immer nur maximal 33,7 Prozent in Strom umgewandelt werden können.

  

Die Vorstellung der Experten ist mehr Energie aus Solarzellen pressen zu können, indem jeder der Kristalle in den von Photovoltaikzellen verwendeten Halbleitern physikalisch deformiert wird. (Bereitstellung von der Universität von Warwick / Mark Garlick)

 

Es gibt jedoch eine andere Möglichkeit, dass einige Materialien Ladungen aufnehmen können, die durch die Photonen der Sonne oder von anderswo erzeugt werden.

Der photovoltaische Volumeneffekt tritt in bestimmten Halbleitern und Isolatoren auf, wo ihr Mangel an perfekter Symmetrie um ihren zentralen Punkt (nicht-zentralsymmetrische Struktur) eine Spannungserzeugung ermöglicht, die tatsächlich größer sein kann als der Bandausschnitt dieses Materials. Der Bandausschnitt ist der Abstand zwischen dem höchsten Bereich der Elektronenenergien des Valenzbandes, da wo die Elektronen normalerweise eine absolute Null-Temperatur haben, und dem Leitungsband, in dem Elektrizität fließen kann.

  

Professor Marin Alexe an der Universität von Warwick. (Bereitstellung von der Universität von Warwick)

 

Unglücklicherweise zeigen die Materialien, von denen bekannt ist, dass sie eine anomale photovoltaische Ausbeute aufweisen, eine sehr geringe Leistungserzeugungsproduktivität auf und werden niemals in praktischen Energieerzeugungssystemen verwendet.

Das Forscherteam fragte sich, ob es möglich wäre, die Halbleiter, die in kommerziellen Solarzellen wirksam sind, zu manipulieren oder so zu drücken, dass auch sie in eine nicht-zentral-symmetrische Struktur gezwungen werden und möglicherweise deshalb auch die erhöhte Stärke der photovoltaischen Wirkung erzielen könnten.

Für diese Arbeit haben sie sich dazu entschlossen, solche Halbleiter in Form zu pressen, indem sie die leitfähigen Spitzen von Atomkraftmikroskop-Geräten als "Nano-Druckkörper" nutzen und mit denen sie einzelne Kristalle von Strontiumtitanat (SrTiO3), Titandioxid (TiO2) und Silizium (Si) zusammendrücken sowie verformen.

Sie fanden heraus, dass alle drei Kristall-Arten auf diese Weise deformiert werden, in eine nicht-zentral-symmetrische Struktur gebracht und tatsächlich in die Lage versetzt werden konnten, eine große photovoltaische Ausbeute zu gewinnen. Der Professor Marin Alexe an der Universität Warwick sagte:

„Die Erweiterung des Materialspektrums, das von dem photovoltaischen Volumeneffekt profitieren kann, hat mehrere Vorteile: Es ist nicht notwendig, irgendeine Art von Verbindung zu bilden. Jeder Halbleiter mit einer besseren Lichtaufnahmefähigkeit kann für Solarzellen ausgewählt werden, und schließlich kann die ultimative thermodynamische Grenze der Energieumwandlungseffizienz, das sogenannte Shockley-Queisser-Limit, überwunden werden.“

 

„Es gibt technische Herausforderungen, aber es sollte möglich sein, Solarzellen zu erzeugen, bei denen ein Feld einfacher Glasspitzen (100 Millionen pro cm2) unter Spannung gehalten werden könnte, um jeden Halbleiterkristall ausreichend zu deformieren.“

"Wenn ein solches zukünftiges Engineering nur einen einzigen Prozentpunkt an Effizienz mehr steigern könnte, wäre es für die Solarzellenhersteller und Stromlieferanten von immensem kommerziellen Wert."

Bereitgestellt von der Universität von Warwick [Hinweis: Die Materialien können hinsichtlich des Inhalts und der Länge bearbeitet werden.]

 

Übersetzt vom Englischen ins Deutsche von maria : betke

http://www.visiontimes.com/2018/05/07/research-finds-a-way-to-literally-squeeze-more-power-out-of-solar-cells.html

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