der besten kommerziellen Dünnschichtgeräte
Silizium dominiert die Solarenergielandschaft, aber es ist nicht das beste Material für die Herstellung dünner, leichter Solarzellen, die für Satelliten und Drohnen benötigt werden. Atomar dünne Halbleitermaterialien wie Wolframdiselenid und Molybdändisulfid, die bereits für die Elektronik der nächsten Generation in Betracht gezogen werden, sind vielversprechend für kostengünstige ultradünne Solarzellen, die auch flexibel sein können. Jetzt haben Ingenieure Wolframdiselenid-Solarzellen hergestellt, die ein Leistungsgewicht aufweisen, das dem etablierter Dünnschicht-Solarzellentechnologien gleichkommt.
Die flexiblen Solarzellen, über die in der Fachzeitschrift Nature Communications berichtet wird, haben einen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität von 5,1 Prozent - der höchste, der für flexible Zellen dieser Art bekannt ist. Ihre spezifische Leistung beträgt 4,4 W/g und ist damit vergleichbar mit Dünnschicht-Solarzellen, die beispielsweise aus Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid, amorphem Silizium und III-V-Halbleitern bestehen. Mit weiteren technischen Maßnahmen zur Verringerung der Substratdicke und zur Steigerung des Wirkungsgrads hat die Technologie das Potenzial, 46 W/g zu erreichen, was weit über das hinausgeht, was für andere Photovoltaik-Technologien gezeigt wurde", sagt Koosha Nassiri Nazif, ein Elektroingenieur an der Stanford University, der die Arbeit zusammen mit seinem Kollegen Alwin Daus leitete.
Es ist tausendmal dünner als Silizium, hat aber die gleiche Absorption wie ein herkömmlicher Silizium-Wafer.
Der Wirkungsgrad von Silizium ist im Verhältnis zu den Kosten kaum zu übertreffen, und die Kosten für Silizium-Solarmodule sind jedes Jahr gesunken. Aber "Silizium ist ziemlich suboptimal für neue Anwendungen", sagt Nassiri Nazif. Zu diesen Anwendungen gehören tragbare und anpassungsfähige Elektronik, intelligente Fenster und andere architektonische Anwendungen, unbemannte Luftfahrzeuge und Elektrofahrzeuge. "Eine weitere wichtige Anwendung ist das Internet der Dinge", sagt er, "wo man die Batterielebensdauer verlängern oder den Bedarf an Batterien für die Stromversorgung kleiner Sensoren und Geräte vollständig beseitigen kann." Eine hohe spezifische Leistung ist für diese Anwendungen entscheidend, sagt er. Die heutigen Dünnschichttechnologien und die neueren Perowskit-Solarzellen haben alle eine höhere spezifische Leistung als Silizium, wobei die Perowskite mit 29 W/g den Rekord halten.
Wolframdiselenid und Molybdändisulfid, die zu einer Klasse von Materialien gehören, die als Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMD) bekannt sind, haben jedoch Vorteile gegenüber anderen Materialien. Sie sind leichter als die Dünnschichtzellen aus CdTe oder CIGS, die heute in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Sie sind auch stabiler als Perowskite und organische photovoltaische Materialien und umweltfreundlicher als bleihaltige Perowskite.
Darüber hinaus verfügen TMD-Materialien über eine der höchsten Lichtabsorptionsfähigkeiten aller photovoltaischen Materialien. "Man kann also eine ultradünne Schicht verwenden, die tausendmal dünner ist als Silizium, und trotzdem die gleiche Absorptionsleistung erzielen, wenn man die Optik richtig gestaltet", sagt Nassiri Nazif.
Die besten TMD-Solarzellen haben jedoch bisher einen Wirkungsgrad von weniger als 3 % und weniger als 0,7 %, wenn sie auf einem leichten, flexiblen Substrat hergestellt werden. Der theoretische Wirkungsgrad der Materialien liegt jedoch bei 27 %. Laut Daus sind sie einfach noch nicht lange auf dem Markt und müssen noch weiter entwickelt werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Alle photovoltaischen Materialien stehen vor dem Problem der Ladungsextraktion. Das heißt, sobald das Material ein Photon absorbiert und Elektronen und Löcher erzeugt, müssen diese Ladungsträger schnell abgezogen werden, bevor sie rekombinieren können.
Die Kunst besteht darin, das richtige Kontaktmaterial zu finden, um die Ladungsträger vom Halbleiter zu den Elektroden zu transportieren. Die Forscher wählten dafür ein transparentes Graphenblatt. Dann beschichteten sie es mit einer Molybdänoxidschicht, die ebenfalls transparent ist und die Fähigkeit von Graphen verbessert, Ladungsträger zu extrahieren, erklärt Daus.
Ein weiterer wichtiger Fortschritt, der die Herstellung hochwertiger flexibler Solarzellen ermöglicht, ist die von ihnen entwickelte Übertragungsmethode, fügt er hinzu. Zunächst werden Wolframdiselenidplättchen auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden, darauf werden Goldelektroden aufgebracht und dann mit einem dünnen flexiblen Kunststoffsubstrat überzogen. Dann legen sie das ganze Ensemble in ein Wasserbad, um die flexible Struktur vorsichtig vom Silizium abzulösen. Schließlich drehen sie die Struktur um, so dass das Wolframdiselenid oben liegt, und beschichten sie mit Graphen und Molybdänoxid. Am Ende ist das ganze Gerät nur 350 nm dick.
Die Solarzellen sind zu diesem Zeitpunkt winzig, so Nassiri Nazif, etwa 100 x 100 µm. "Um den Punkt zu erreichen, an dem sie kommerziell genutzt werden können, brauchen wir mindestens 1 x 1 cm große Geräte", sagt er. "Die gute Nachricht ist, dass ein großflächiges, qualitativ hochwertiges TMD-Wachstum bereits nachgewiesen wurde".
Die meisten Bemühungen konzentrierten sich jedoch auf die Herstellung von einschichtigen TMD-Materialien für die Elektronik, sagt Daus, während man für Solarzellen dickere 100-200 nm-Filme benötigt. Das Stanford-Team hat bereits mit der Herstellung von 2 x 2 cm großen TMD-Filmen begonnen, aber bisher haben die dickeren Filme nicht die gleiche hohe Qualität erreicht wie die kleineren Flocken, die sie in der Arbeit verwendet haben
Das Team hofft, dass diese Arbeit weitere Forschungen auf dem Gebiet der TMD-Solarzellen anregt. "Unser Ziel ist es, eine Grundlage für TMD-Photovoltaikanwendungen zu schaffen", sagt Nassiri Nazif. "Diese Materialien haben einen grundlegenden Vorteil gegenüber anderen Technologien. Wenn wir die technischen Probleme lösen, könnten sie das Material der Wahl für die Photovoltaik der nächsten Generation sein."
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