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Solarenergie: Eine Wissenschaft mit vielen Schichten

Wissenschaftler auf der ganzen Welt, auch in Luxemburg, treiben die Leistungsfähigkeit der Photovoltaik immer weiter voran, um die Nutzung dieser Energiequelle attraktiver zu machen. Tandem-Solarzellen, verlorene Hitze, neue Materialien, Untersuchung von Solarzellenmaterialien bis auf die atomare Skala, Senkung der Kosten - daran arbeiten die Forscher in Luxemburg mit Unterstützung des FNR.

Die Geschichte hinter dem Bild: Ein besseres Herz für Solarzellen

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Das Herzstück einer Solarzelle: Ein hybrider Perowskit-Absorber, und zwar in Nanometer-Auflösung.

Dieses beeindruckende Bild wurde vom Luxemburger Dr. Alex Redinger mit seinem Team an der Universität Luxemburg erstellt. Es wurde mit einem Rasterkraftmikroskop angefertigt, mit dem die Forscher die Topografie und die elektrischen Eigenschaften von Materialien bis auf die atomare Ebene messen können. Im vorliegenden Fall wurde eine Pixelauflösung von etwa 2 Nanometern erreicht, was 0,000000002 Metern entspricht, also mehr als 10000 Mal kleiner als ein menschliches Haar!

„Das Bild ist eine Kombination aus zwei Signalen, der Topographie und einer elektrischen Eigenschaft namens 'Arbeitsfunktion'. Die blauen Regionen im Bild entsprechen höheren Arbeitsfunktionen und spiegeln im vorliegenden Fall ein anderes Material wieder, das sich aufgrund der Prozessierungsbedingungen an der Perowskit-Oberfläche gebildet hat. Unsere Arbeit erlaubt es uns, diese unterschiedlichen Phasen mit Nanometergenauigkeit zu identifizieren." - Alex Redinger

© Scanning Probe Microscopy Laboratory

Satelliten, kleine Mondrover, Kinderspielzeug, Taschenlampen, Taschenrechner, Gebäude - die Orte, an denen Solarzellen zum Einsatz kommen, sind vielfältig. In Luxemburg sind Solarzellen immer häufiger auf den Dächern zu sehen, ganz im Sinne des nationalen Ziels von 25 % erneuerbarer Energie bis 2030.

Welche Herausforderungen bleiben, um die Solarenergie besser zu machen? Eine ist die Verbesserung der Produktion und die Senkung des Preises für Solarenergie, aber die größte Herausforderung besteht darin, die Menge des Sonnenlichts zu erhöhen, die Solarzellen in nutzbare Energie umwandeln. Eine wissenschaftliche Herausforderung mit vielen Schichten.

Dünnschichtsolarzellen bestehen aus einer Vielzahl von dünnen Schichten aus unterschiedlichen Materialien, die alle eine Rolle bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie spielen. Jede Schicht spielt dabei eine andere Rolle. Das Herz der Solarzelle ist der Absorber, in dem das Licht absorbiert und in elektrische Ladungen umgewandelt wird.

„In unserer Arbeit untersuchen wir Absorberschichten, die aus einem anorganischen und einem organischen Teil bestehen, auch als Hybridmaterial bezeichnet. Die Atome im Kristall haben eine bestimmte Anordnung, die wir Perowskit nennen. Die von uns untersuchte Materialklasse wird daher in diesem Bild als hybride organisch-anorganische Perowskite bezeichnet." -Alex Redinger

Hybride Perowskite: Vielversprechende Kandidaten für hocheffiziente Solarzellen

Hybride Perowskite bekommen derzeit viel Aufmerksamkeit von der Wissenschaft, weil sie außergewöhnlich gute Eigenschaften für hocheffiziente Solarzellen zeigen. Normalerweise sind Hochtemperaturprozesse und saubere Rohstoffe nötig, um hochwertige Solarzellen herzustellen. Nicht so bei hybriden Perowskiten, die sehr gute Eigenschaften aufweisen und dabei billig und einfach herzustellen sind.

Darüber hinaus können sie sogar mit Silizium (das in dicken Solarzellen zu finden ist) und anderen, dünnschichtigen Solarzellen (der am häufigsten verwendeten Solarzellentechnologie auf dem Markt) kombiniert werden. Dies wird in Zukunft noch bessere Solarzellen ermöglichen. Die Kombination von zwei Solarzellen wird auch als Tandem-Solarzelle bezeichnet.

Die Forschungsgruppe von Alex Redinger ist eingebettet in der Physik und Materialwissenschaften Abteilung der Universität Luxemburg. Das "Scanning Probe Microscopy Laboratory" ist eines von drei an der Universität, die Elemente der Solarenergie erforschen.

Konkret untersucht das Team die Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von Solarzellenmaterialien, wobei es eine Vielzahl verschiedener Rastersondenverfahren einsetzt, um die elektrischen Eigenschaften der sauberen Oberflächen und Grenzflächen auf der Nanoskala zu messen.

Solar redinger

Eine mit atomarer Auflösung gemessene Silizium (111)-Oberfläche

© Scanning Probe Microscopy Laboratory

Diese Forschung wird durch mehrere FNR-Forschungsstipendien unterstützt, insbesondere durch Redingers FNR ATTRACT Fellowship, ein 5-jähriges 2 MEUR-Stipendium, das es Alex Redinger ermöglichte, seine Forschungsgruppe aufzubauen.

Tandem-Solarzellen: Die nächste Generation der Solarzelle

Obwohl die Sonne praktisch unbegrenzt Energie liefert, wandeln Solarmodule in der Regel nur etwa ein Fünftel dieser Energie in Strom um. Auf der Suche nach effizienteren Solarkraftwerken entwickeln und erforschen Wissenschaftler Tandem-Solarzellen, eine neue Art von Solarzellen, die dank mehrerer Schichten mehr Sonnenlicht einfangen können.

Der Hauptunterschied zwischen Standard-Solarzellen und Tandem-Solarzellen ist, dass Tandem-Solarzellen mehr Schichten von Halbleitern haben. Jede Schicht absorbiert verschiedene Wellenlängen (oder Farben) des Lichts und wandelt diese Energie in Strom um.

In einer typischen Dünnschicht-Tandemsolarzelle werden diese Halbleiter als eine Schicht über der anderen aufgedampft. Durch diese Schichtung entstehen zwei Solarzellen, die zusammen einen Tandem-Effekt erzeugen. Ähnlich wie zwei Radfahrer auf einem Tandem-Fahrrad ihre Kraft bündeln, erhöht die Schichtung von Solarzellen deren Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom.

Solar panel on house

Effizientere Solaranlagen bedeuten geringere Kosten und mehr Attraktivität

Das Labor für Photovoltaik an der Universität Luxemburg, eines von drei Labors an der Einrichtung, die an der Verbesserung verschiedener Aspekte der Solarenergie forschen, hat sich zum Ziel gesetzt, die Kosten für Solarenergie zu senken, indem sie die Effizienz von Solarzellen verbessern.

Das Team von rund einem Dutzend Wissenschaftlern unter der Leitung von Physik-Professorin Susanne Siebentritt erforscht Halbleiter und Solarzellen, die in Tandemgeräten eingesetzt werden können.

Siebentritt 2012 wort

Prof Susanne Siebentritt

© LuxTimes

"Konventionelle Solarzellen wurden über viele Jahrzehnte verbessert und sind an theoretische Grenzen gestoßen. Die Zukunft könnte in Tandem-Solarzellen liegen, bei denen wir zwei verschiedene Solarzellen übereinander stapeln, so dass jede das Sonnenlicht besser ausnutzen kann und mehr Energie geerntet wird."

"Je effizienter die Solarzelle ist, desto kleiner ist die Fläche, die Solarkraftwerke abdecken müssen - und desto günstiger ist der Strom, den sie produzieren. Die Entwicklung von Dünnschicht-Tandem-Solarzellen wird dazu führen, dass mehr Solaranlagen installiert werden und mehr zum Kampf gegen die Klimakrise beitragen" - Prof. Susanne Siebentritt

Verlustwärme in Strom verwandeln

Was wäre, wenn man verlorene Wärme in Strom umwandeln könnte? Es geht! Die Gruppe Ferroic Materials for Transducers unter der Leitung von Dr. Emmanuel Defay vom Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) arbeitet an einem neuen Projekt, das sich mit der Untersuchung einer neuen Klasse von Materialien für die elektrothermische Energiegewinnung beschäftigt. Diese Materialien, die als "nichtlineare Pyroelektrika" bezeichnet werden, sind in der Lage, verlorene Wärme in Elektrizität umzuwandeln.

Die Wissenschaftler werden diese Materialien einer Variation von Temperaturen aussetzen, während sie ihre Spannung kontrollieren. Dies ist als thermodynamischer Zyklus bekannt. Die Ziele des Projekts sind ein besseres Verständnis der Haupteigenschaften, um das Material dazu zu bringen, die maximale Wärmemenge in Elektrizität umzuwandeln.

Sobald die Wissenschaftler dieses Wissen haben, werden sie es für Demonstratoren verwenden, die in der Lage sind, genug Energie zu erzeugen, um einfache Geräte zu betreiben, wie z. B. einen autonomen Sensor. So können die Forscher die Energieeffizienz dieses Effekts untersuchen und herausfinden, wie man ihn noch besser machen kann.

Dieses Forschungsprojekt wird vom FNR gefördert.

Mit [effizienter] Solarenergie die Umwelt entlasten

Wissenschaftler in der Solarenergie arbeiten nicht nur daran, Solarzellen besser zu machen, sondern auch daran, wie sie hergestellt werden: Die Forscher des Laboratory for Energy Materials (LEM) konzentrieren sich auf Solarzellen aus nachhaltigen Materialien und suchen nach Wegen, den Energiebedarf für ihre Herstellung zu senken.

Delikate Zutaten

Halbleiter finden sich in fast jedem elektronischen Gerät: Computer, Smartphones - und Solarenergie - wären ohne sie nicht möglich. Die Herstellung von Halbleitern für Solarzellen ist schwierig und viele Verfahren sind teuer, da sie viel Energie benötigen.

Philip dale

Prof. Dr. Philip Dale und Team beobachten eine Solarzelle.

© FNR

"Einen Weg zu finden, diesen Prozess zu verbessern, der letztendlich die Kosten für die Herstellung einer Solarzelle senken könnte, ist eine der grundlegenden Triebfedern für die Forschung, die wir in meiner Gruppe betreiben." - Chemiker und Physiker Prof. Phillip Dale

Die Halbleiter für Solarzellen, an denen Dale und sein Team arbeiten, sind in der Regel ein festes chemisches Element oder eine Verbindung, die unter bestimmten Bedingungen Strom leiten kann.

"Halbleiter haben sehr fein ausbalancierte Eigenschaften und eine Veränderung - selbst auf der Ebene des Entfernens von ein paar Atomen - kann diese Eigenschaften beeinflussen und alles verändern: Was wir bei einer Reihe von Halbleitern entdeckt haben, ist, dass Teile des Halbleiters 'wegdampfen'." - Phillip Dale

Verstärkung der Leistung

Die Forschung des Labors konzentriert sich auch auf die Vorbereitung und Charakterisierung von Halbleiterschichten für den Einsatz in Solarzellen. Ziel ist es zu verstehen, wie man bestimmte "Schichten" in hochwertige Halbleitermaterialien umwandeln kann, um mehr Licht in elektrische Energie umzuwandeln.

"Die Gesellschaft sollte nicht länger fossile Brennstoffe verwenden, um ihre Zivilisation anzutreiben, sondern stattdessen Sonne und Wind nutzen. Einfach ausgedrückt: Die Energie, die wir brauchen, um erneuerbar zu erzeugen, ist die Energie, die wir verbrauchen." - Phillip Dale

Junge Menschen aufzuklären ist für Dale, der das Outreach-Projekt "Energy Balance" organisiert, bei dem Schüler untersuchen, ob sie nur mit erneuerbaren Energiequellen leben können, sehr wichtig.

"Wenn sie die Wissenschaft hinter dem Energieverbrauch und der Erzeugung von erneuerbaren Energien verstehen, können sie informierte, rechtzeitige Entscheidungen über Energie treffen und so dazu beitragen, die Menschheit in eine sicherere Zukunft zu führen." - Philip Dale

Ausbildung der nächsten Generation von Photovoltaik-Forschern

Alle auf dieser Seite vorgestellten Forschungsgruppen arbeiten auch im Rahmen der Doctoral Training Unit 'Photovoltaics: Advanced Concepts for High Efficiency' (PACE) zusammen, einem gemeinsamen Projekt der Universität Luxemburg und des LIST, wobei die Wissenschaftler eine Mischung aus Chemie, Physik und Materialforschung einbringen. 8 PhD-Forscher arbeiten an Projekten, die gemeinsam von Experten betreut werden, um die jungen Wissenschaftler auszubilden.

Das Ziel, das alle PhD-Projekte gemeinsam haben, ist die Entwicklung neuer Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden als die derzeit verfügbaren. Die neuen Konzepte und Geräte werden die Entwicklung der Solarenergie vorantreiben und helfen, die Welt in eine erneuerbare Energiezukunft zu führen.

Dieses Projekt wird durch das PRIDE Programm des FNR gefördert.

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FNR letzscience solar energy

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