Steigerung der Solarenergie: Duke-Forscher erforschen Möglichkeiten zur Verbesserung von Solarmodulen
Veröffentlichungsdatum:Warum wird Solarenergie nicht häufiger genutzt? Schließlich erzeugen Photovoltaikzellen Strom aus Sonnenlicht, einer kostenlosen und nahezu unbegrenzten Ressource.
Ein Grund dafür ist, dass die heutigen Photovoltaikzellen relativ ineffizient sind. Sie geben nur etwa ein Viertel der Energie ab, die sie von der Sonne aufnehmen. Wenn diese Effizienz verbessert werden könnte, könnten Solarmodule weniger Platz beanspruchen und gleichzeitig mehr Strom abpumpen.
„Letztendlich ist die Effizienz die Herausforderung bei der Solarenergie“, sagt er Adrienne Stiff-Roberts, PhD, der Jeffrey N. Vinik-Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik ist. „Wenn Solarzellen effizienter sind, dann ist die Technologie kostengünstiger [pro produzierter Stromeinheit] und Sie sprechen davon, dass erneuerbare Energien ein Ersatz für kohlenstoffbasierte Energiequellen sind.“
Bei Duke arbeiten Stiff-Roberts und ihre Kollegen an einer neuen Photovoltaik-Technologie, die eines Tages mehr Energie aus Sonnenlicht gewinnen könnte.
Eine Möglichkeit, die Effizienz von Solarzellen zu steigern, besteht darin, ihre chemische Zusammensetzung zu verändern. Aktuelle Solarzellen verwenden Silizium, ein anorganisches Element, das langlebig ist, elektrische Ladungen hervorragend transportiert und Lichtenergie zufriedenstellend absorbiert. Bestimmte organische Moleküle absorbieren zwar hervorragend Lichtenergie, können sich jedoch in Gegenwart von Feuchtigkeit und Sauerstoff schnell zersetzen.
Die Vorteile organischer Moleküle gehen über ihre lichtabsorbierenden Eigenschaften hinaus. „Ein organischer Chemiker kann organische Moleküle entwerfen, die alle möglichen Funktionen haben“, sagt Stiff-Roberts. „Sie können flexibel sein.“
Die Kombination anorganischer und organischer Verbindungen in einer Solarzelle könnte laut Stiff-Roberts „das Beste aus beiden Welten“ bieten. Doch die Arbeit mit solchen Hybridmaterialien ist nicht einfach.
Zum einen muss das Hybridmaterial als nanometerdicker Film abgeschieden werden, der als Halbleiter fungiert. Dünnschichthalbleiter sind in Geräten, die wir täglich nutzen, wie Mobiltelefonen, Computern und Fernsehern, bereits allgegenwärtig. Doch oft bestehen diese Halbleiter aus anorganischen Mineralien. Die Technik, mit der sie in dünnen Filmen abgeschieden werden, funktioniert bei organischen Verbindungen nicht.
Es gibt Möglichkeiten, organische Moleküle in einem dünnen Film abzuscheiden, aber entweder funktionieren sie nur für kleine organische Moleküle oder es ist schwierig, mehrere Schichten abzuscheiden, die für Solarzellen erforderlich sind.
Nun haben Stiff-Roberts und ihr Team eine Technik zur Abscheidung von Hybridmaterialien aus anorganischen und großen organischen Verbindungen entwickelt und demonstriert. „Meine Gruppe hat einen neuartigen Ansatz eingebracht, der sich grundlegend von dem unterscheidet, was alle anderen gemacht haben“, sagt sie.
„Unsere Aussage ist sehr sanft. Das [organische Molekül] wird ohne Veränderung von der Quelle auf das Substrat übertragen.“
Stiff-Roberts stellte traditionelle Prozesse in Frage, indem er eine Emulsion (denken Sie an Öl und Essig) herstellte, bei der die organischen Moleküle wie Öltröpfchen im Wasser suspendiert waren. Dies schützt die großen Moleküle vor dem Zerbrechen während der Abscheidung.
Sie erhielt kürzlich von der National Science Foundation $1 Millionen als BRITE-Stipendiatin, um die Machbarkeit einer Erweiterung ihrer laborbasierten Technik zur Dünnschichtabscheidung von Hybridmaterialien zu untersuchen, um deren Herstellung kommerziell nutzbar zu machen.
Eines der vielversprechendsten Hybridmaterialien, die Solarforscher verfolgen, ist Perowskit, ein natürlich vorkommendes Mineral, das so manipuliert wurde, dass es organische Moleküle in seine kristalline Struktur aufnimmt. Die organischen Moleküle sind im Kristallgitter eingeschlossen wie Butter in den Vertiefungen einer Waffel.
Die Effizienz experimenteller Hybrid-Perowskit-Solarzellen ist im letzten Jahrzehnt sprunghaft gestiegen und hat sich viel schneller verbessert als herkömmliche und andere experimentelle Solartechnologien. „Das hat alle Arten von Investitionen und Forschung in diesem Bereich angeregt“, sagt Stiff-Roberts, die bereits gezeigt hat, dass ihre Technik mit Dünnschicht-Hybrid-Perowskiten funktioniert.
Stiff-Roberts arbeitet eng mit Duke-Ingenieurkollegen zusammen, darunter dem Theoretiker Volker Blum, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften, und dem Materialdesigner David Mitzi, dem Simon Family-Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke University.
Die drei sind Teil eines vom Energieministerium finanzierten nationalen Zentrums mit Sitz im National Renewable Energy Laboratory, das die grundlegenden Eigenschaften von Perowskiten und anderen Hybridmaterialien untersucht.
„Vieles an diesen Materialien verstehen wir nicht“, sagt Stiff-Roberts, „und wenn man das Material nicht versteht, kann man es nicht verbessern oder kontrollieren, um bessere Geräte herzustellen.“
Die Entwicklung eines besseren Geräts ist jedoch nur der erste Schritt. Laut Stiff-Roberts erfordert der Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien die Beteiligung mehrerer Disziplinen – nicht nur Wissenschaft und Technik, sondern alles von der Politik bis zur Wirtschaft. Sie stellt fest, dass Duke-Studenten und -Absolventen sich mit Begeisterung mit diesen Problemen befassen, oft in multidisziplinären Umgebungen, wie beispielsweise in campusweiten Bass Connections-Teams oder im Nicholas Institute for Energy, Environment, and Sustainability.
„Wenn man Probleme mit erneuerbaren Energien lösen will“, sagt sie, „hängt alles zusammen.“ Und Duke verfügt über Fachwissen in all diesen umfassenderen Aspekten. Hier hat Duke etwas Einzigartiges zu bieten.“
(C) Duke University
Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire