(Li et al., Optica, 2020) Solarplatten bieten ein enormes Potenzial, um mehr Menschen von der durch Kohleverbrennung erzeugten Elektrizität abzuwenden, und eine neue, von Wissenschaftlern entwickelte Innovation könnte diese Menge mehr als verdoppeln Licht, das von herkömmlichen Solarzellen eingefangen wird .
In einer neuen Studie hat ein Team von Wissenschaftlern aus dem Vereinigten Königreich, Portugal und Brasilien herausgefunden, dass das Ätzen eines flachen Musters aus Gitterlinien in einem Schachbrettmuster auf Solarzellen den von kristallinem Silizium (c-Si) erzeugten Strom um bis zu steigern kann 125 Prozent.
„Wir haben einen einfachen Trick gefunden, um die Absorption schlanker Solarzellen zu steigern“, erklärt Photovoltaikforscher Christian Schuster von der University of York.
„Unsere Untersuchungen zeigen, dass unsere Idee tatsächlich mit der Absorptionsverbesserung anspruchsvollerer Designs mithalten kann – und gleichzeitig mehr Licht tief in der Ebene und weniger Licht in der Nähe der Oberflächenstruktur selbst absorbiert.“
(Dr. Davide Zecca)
Bisher hätten vergleichbare Versuche mit einfachen Gitterkonstruktionen nur zu marginalen Verbesserungen bei der Sonnenlichtabsorption geführt, sagt das Team.
Das hat zu mehr geführt theoretisch komplizierte strukturelle Änderungen , ganz zu schweigen von allen Arten alternativer solarbasierter Designs, einschließlich Anti-Sonnenkollektoren , lichtsammelnde Algen , Und transparente Solarzellen .
Während jede einzelne Entdeckung einen eigenen legitimen Fortschritt in Richtung einer Welt darstellt, die weniger (und letztendlich nicht) auf fossile Brennstoffe angewiesen ist, sagen Schuster und sein Team, dass selbst sehr einfache Änderungen an der bestehenden Solarzellentechnologie unsere Fähigkeit, Strom aus der Sonne zu gewinnen, erheblich verbessern könnten.
Anstatt sich mit neuen Strukturdesigns zu befassen, die auf natürlichen Texturen oder Rechenalgorithmen basieren, konzentrierten sich die Forscher stattdessen darauf, herauszufinden, welche zentralen theoretischen Überlegungen ein optimiertes Muster für die Streuung und Beugung des Sonnenlichts ermöglichen würden.
Ihr Ziel war es, eine Solarzelle dazu zu bringen, mehr Energie zu absorbieren, indem sie mehr Sonnenlicht einfängt und gleichzeitig weniger von sich selbst reflektiert.
Ihre Modellierung legt nahe, dass Gitterlinien, die in einer einfachen periodischen, quasi-zufälligen Struktur angeordnet sind, die Leistung von a optimieren 'photonische Domäne' : der Bereich innerhalb einer photonischen Struktur, in dem ein grundlegendes diffraktives Element periodisch eindimensional angeordnet ist.
In einem Experiment simulierte das Team die Leistung einer schachbrettartig gemusterten photonischen Domäne, die aus einer kristallinen Siliziumplatte mit einer Dicke von nur einem Mikrometer (mehrmals dünner als ein Strang Spinnennetzseide) besteht, und verglich sie mit anderen Arten von Solarzellendesigns einschließlich einer einfachen planaren Zelle, vertikalen Gitterlinien, gekreuzten Linien und anderen.
(Li et al., Optica, 2020)
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Schachbrett mit zufälligen Rotationen seiner sich wiederholenden Einheiten mehr Strom erzeugt als alle konkurrierenden Zellen und etwa 125 Prozent so viel wie eine herkömmliche Solarzelle ohne Gitterliniendesign.
Darüber hinaus könnte das Schachbrettdesign aufgrund seiner inhärenten Einfachheit einfacher im industriellen Maßstab herzustellen und auch robuster als andere komplexere nanostrukturierte Solarzellenmuster sein, sagt das Team.
„Unsere Designregel erfüllt alle relevanten Aspekte des Lichteinfangs für Solarzellen und ebnet den Weg für einfache, praktische und dennoch herausragende diffraktive Strukturen mit potenziellen Auswirkungen über photonische Anwendungen hinaus.“ sagt Schuster .
„Dieses Design bietet Potenzial für die weitere Integration von Solarzellen in dünnere, flexible Materialien und schafft so mehr Möglichkeiten, Solarenergie in mehr Produkten zu nutzen.“
Die Forscher räumen ein, dass ihre modellierten Ergebnisse in der realen Welt möglicherweise etwas weniger eindrucksvoll ausfallen, sobald Herstellungsmaßnahmen ergriffen werden, abhängig von bestimmten Materialien, die zur Herstellung und Einkapselung der Zellen verwendet werden. Eine Änderung der Ätztiefe oder der Größe der Platten hätte ebenfalls Auswirkungen.
Dennoch sagt das Team, dass die Designprinzipien, auf die es hier hingewiesen hat, positive Auswirkungen auf das Solarzellendesign und auch auf verwandte Bereiche haben könnten, die ebenfalls von störenden physikalischen Funktionen wie der Lichtbeugung abhängen, wie etwa akustische Lärmschutzwände und Windschutzpaneele , rutschfeste Oberflächen und mehr.
Darüber hinaus könnte die Kosteneffizienz der für die Zellherstellung verwendeten Ressourcen durch die Herstellung solch dünner Solarzellen mit Schachbrettmuster verzehnfacht werden, glaubt das Team.
„Im Prinzip würden wir mit der gleichen Menge an Absorbermaterial zehnmal mehr Solarstrom einsetzen“, sagt Schuster .
„Zehnmal dünnere Solarzellen könnten einen schnellen Ausbau der Photovoltaik ermöglichen, die Solarstromproduktion steigern und unseren CO2-Fußabdruck erheblich reduzieren.“
Über die Ergebnisse wird berichtet Optik .