Maximierung der Sonnenkraft durch neue Solarzellen

Die gesamte von der Sonne täglich erzeugte Energiemenge reicht aus, um den Energiebedarf der Menschen auf der Erde für 27 Jahre zu decken. Die Technologie zur Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht ist zwar vielversprechend, aber eine Weiterentwicklung der damit verbundenen Technologien ist dringend erforderlich.

Die überwiegende Mehrheit der Solarzellen, die auf dem Markt für nachhaltige Energie eingesetzt werden und verfügbar sind, besteht aus c-Si Zellen. Allerdings ist c-Si kein effizientes Absorptionsmittel für das Sonnenspektrum. Der theoretische maximale Wirkungsgrad für eine c-Si-Solarzelle mit einem Übergang wurde mit 33 % angegeben und ist als Schockley-Queisser-Grenze (S-Q) bekannt. Seit der Bekanntgabe der S-Q-Grenze haben sich die Forschungsanstrengungen darauf konzentriert, diese Grenze zu überwinden (d. h. Mehrfachsolarzellen, organische Solarzellen, Perowskit usw.).

Hinzu kommt, dass der hohe Brechungsindexkontrast zwischen Luft und Si zu einer starken Fresnel-Reflexion an der Luft-Si-Grenzfläche führt. Eine Methode zur Überwindung der hohen Fresnel-Reflexion (und damit zur Verbesserung der Absorption) ist die Einführung eines Musters aus metallischen Partikeln (d. h. plasmonische Solarzellen) oder eines Texturierungsmusters auf der Oberfläche der Solarzelle.

Neuartige Solarzelle

Mit Unterstützung des Marie-Sklodowska-Curie-Programms der EU entwickeln die Elektrotechnik- und Elektronik-Ingenieure Dr. Francisco Cabrera und Professor Azizur Rahman an der University of London eine neue Solarzelle, die plasmonische Eigenschaften und Oberflächenstrukturierung kombiniert, um die kristalline Silizium-Solarzelle (c-Si) zu ersetzen.

Die Grundidee plasmonischer Solarzellen besteht darin, ein Metallteilchen entweder auf der Oberfläche oder im Inneren des aktiven Materials zu platzieren.

Einheitliches Feld

Üblicherweise wird ein Teilchen in Nanogröße betrachtet, das kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts ist. Daher erfährt das Teilchen ein gleichmäßiges Feld und schwingt, wenn die einfallende Welle es durchläuft, anstatt die einfallende Welle zu reflektieren (bei Resonanzfrequenz).

Infolgedessen steigt die Lichtmenge, die in das Aktivmaterial der Solarzelle eindringt. Diese Leistungssteigerung betrifft nur einen begrenzten Teil des Sonnenspektrums (um die Resonanzfrequenz des Metallpartikels). Der Hauptzweck der Texturierung eines Musters auf der SC-Oberfläche besteht darin, die Anzahl der Rückstrahlungen des Sonnenlichts auf die SC-Oberfläche zu erhöhen (aufgrund mehrfacher Lichtreflexionen innerhalb des Bereichs zwischen den Elementen des Musters).

Diese Mehrfachreflexionen erhöhen die Wahrscheinlichkeit der Lichtabsorption. Darüber hinaus können Texturierungsmuster einen zusätzlichen Vorteil bieten.

Das übergeordnete Ziel dieses City-Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines neuen, einfachen Texturierungsmusters zur Verbesserung der Absorption von Silizium-Solarzellen über den gesamten Bereich des Sonnenspektrums ohne Erhöhung der Herstellungskosten. Dabei wird die Leistungsverbesserung mehrerer Texturmuster (die sich auf verschiedene Teile des Sonnenspektrums auswirken) und plasmonischer Metallpartikel genutzt und kombiniert, um eine Leistungsverbesserung über einen breiten Wellenlängenbereich zu erreichen.