04.11.2020 - Incheon National University

"Transparente Solarzellen" können uns in eine neue Ära der personalisierten Energie führen

Wissenschaftler entwerfen neuartige transparente Solarzellen aus dünnen Siliziumschichten zur effizienten Stromerzeugung

Heute erfordert die drohende Klimakrise einen Wechsel von konventionell genutzten fossilen Brennstoffen hin zu effizienten Quellen grüner Energie. Dies hat dazu geführt, dass sich Forscher mit dem Konzept der "personalisierten Energie" befassen, die eine Energieerzeugung vor Ort ermöglichen würde. Beispielsweise könnten Solarzellen möglicherweise in Fenster, Fahrzeuge, Handy-Bildschirme und andere Alltagsprodukte integriert werden. Dafür ist es aber wichtig, dass die Solarpaneele handlich und transparent sind. Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler vor kurzem "transparente photovoltaische" (TPV) Vorrichtungen entwickelt - transparente Versionen der herkömmlichen Solarzelle. Im Gegensatz zu den herkömmlich dunklen, undurchsichtigen Solarzellen (die sichtbares Licht absorbieren), nutzen TPVs das "unsichtbare" Licht, das in den ultravioletten (UV) Bereich fällt.

Konventionelle Solarzellen können entweder vom "nassen Typ" (lösungsbasiert) oder vom "trockenen Typ" (bestehend aus Metalloxid-Halbleitern) sein. Von diesen haben die Trocken-Solarzellen einen leichten Vorteil gegenüber den Nass-Solarzellen: sie sind zuverlässiger, umweltfreundlicher und kostengünstiger. Außerdem sind Metalloxide gut geeignet, das UV-Licht zu nutzen. Trotz alledem ist das Potenzial von Metalloxid-TPVs jedoch bis heute noch nicht voll ausgeschöpft worden.

Zu diesem Zweck haben Forscher der Incheon National University, Republik Korea, ein innovatives Design für eine auf Metalloxid basierende TPV-Vorrichtung entwickelt. Sie fügten eine ultradünne Schicht Silizium (Si) zwischen zwei transparente Metalloxid-Halbleiter ein mit dem Ziel, eine effiziente TPV-Vorrichtung zu entwickeln. Diese Ergebnisse wurden in einer Studie in Nano Energy veröffentlicht, die am 10. August 2020 (vor der geplanten endgültigen Veröffentlichung in der Dezember-Ausgabe 2020) online verfügbar gemacht wurde. Prof. Joondong Kim, der die Studie leitete, erklärt: "Unser Ziel war es, eine transparente Solarzelle mit hoher Leistung zu entwickeln, indem ein ultradünner Film aus amorphem Si zwischen Zinkoxid und Nickeloxid eingebettet wird.

Dieses neuartige Design, das aus der Si-Schicht besteht, hatte drei große Vorteile. Erstens ermöglichte es die Nutzung von Licht mit längerer Wellenlänge (im Gegensatz zu nackten TPVs). Zweitens führte es zu einer effizienten Photonensammlung. Drittens ermöglichte es den schnelleren Transport von geladenen Teilchen zu den Elektroden. Darüber hinaus kann das Design potenziell auch bei schwachem Licht (zum Beispiel an bewölkten oder regnerischen Tagen) Elektrizität erzeugen. Die Wissenschaftler bestätigten ferner die Fähigkeit des Geräts zur Stromerzeugung, indem sie es zum Betrieb des Gleichstrommotors eines Ventilators verwendeten.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse ist das Forschungsteam optimistisch, dass die reale Anwendbarkeit dieses neuen TPV-Designs bald möglich sein wird. Was die potenziellen Anwendungen betrifft, so gibt es viele, wie Prof. Kim erklärt: "Wir hoffen, die Verwendung unseres TPV-Designs auf alle Arten von Materialien auszudehnen, von Glasgebäuden bis hin zu mobilen Geräten wie Elektroautos, Smartphones und Sensoren. Und nicht nur das, das Team freut sich darauf, sein Design auf die nächste Stufe zu heben, indem es innovative Materialien wie 2D-Halbleiter, Nanokristalle aus Metalloxiden und Sulfid-Halbleiter verwendet. Wie Prof. Kim abschließend feststellt: "Unsere Forschung ist für eine nachhaltige grüne Zukunft unerlässlich - insbesondere, um das saubere Energiesystem mit keinem oder einem minimalen Kohlenstoff-Fußabdruck zu verbinden".

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