Solarenergie für bebaute Umgebungen
Die Nutzung von Sonnenstrahlung zur Erzeugung von Elektrizität ist ein äußerst nachhaltiger Weg für die Stromversorgung menschlicher Aktivitäten. Eine Technologie, die Solarenergie bündelt, kann die Effizienz erheblich steigern. LSCs könnten im Vergleich zu großflächigen Vorrichtungen auf Siliziumbasis die Kosten erheblich reduzieren und haben den Vorteil, dass sowohl direkte als auch diffuse Sonnenstrahlung absorbiert wird, sodass keine Sonnennachführung erforderlich ist. Die geringe Effizienz von LSCs stellt allerdings ein großes Hindernis für die Vermarktung dieser Technologie dar. Wissenschaftler initiierten das Projekt SOLAR-PLUS (Maximizing the efficiency of luminescent solar concentrators by implanting resonant plasmonic nanostructures (SOLAR-PLUS)), um dieses Problem über die Kombination theoretischer, Modellierungs- und experimenteller Aktivitäten anzugehen. Ein Ergebnis des Projekts war die Herstellung eines Silizium-basierten LSC, der Sonnenlicht absorbiert und daraufhin fluoresziert. Das hierdurch entstehende Leuchten wird auf die Solarzellen übertragen. Wissenschaftler tauchten metallische Nanopartikel in eine dünne Fluorophorschicht, um eine Oberflächenplasmonenresonanz herzustellen und somit die Energieumwandlungseffizienz von LSCs, die derzeit 8 % nicht übersteigen kann, zu steigern. Das Team stellte die allererste experimentelle Methode für eine simultane Bestimmung von optischer Effizienz und von Verlustmechanismen wie Rückresorptionsverlusten, Verlustkegeln und Quantenausbeuteverlusten in LSCs her. Ferner wurde ein Hybridmodell entworfen, das nanoskalige Simulationsmethoden mit Monte-Carlo-Path-tracing-Methoden kombiniert und somit die Simulation großflächiger LSCs ermöglicht, welche Nanostrukturen aufweisen. Die Ergebnisse zeigen, dass die metallische Absorption zu erheblichen optischen Verlusten führt, was die Plasmonik-Anwendbarkeit auf LSCs einschränkt. Zu weiteren Simulationsaktivitäten zählte unter anderem eine genaue Beschreibung der Fluorophor-Anordnung und -Verknüpfung sowie des Förster-Resonanzenergietransfer (Förster resonance energy transfer, FRET)-mechanismus. Eine homeotropische Anordnung verbesserte die Lichteinfangungseffizienz und verband gleichzeitig induzierte FRET-Transfers zwischen Fluorophoren, um die reduzierte Absorption homeotropischer Anordnungen zu umgehen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl Fluorophor-Anordnungen als auch FRETs die LSC-Umwandlungseffizienz verbessern. Als Konzeptnachweis entwickelten Wissenschaftler einen LCS mit Quantenpunkten, die mit organischen Farbstoffmolekülen verbunden sind. Hierdurch wurde gezeigt, dass Quantenpunkte aufgrund der hohen Effizienz des FRET-Mechanismus eine hohe Quantenausbeute aufweisen. Eine Optimierung der Energieumwandlungseffizienz unter gleichzeitiger Senkung der LSC-Kosten wird eine großflächige Marktaufnahme fördern und der EU dabei behilflich sein, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu senken. Der flexible Prototyp von SOLAR-PLUS kann den Weg weisen, LSCs in bebaute Umgebungen zu integrieren.
Schlüsselbegriffe
Solarenergie, lumineszenter Sonnenkonzentrator, SOLAR-PLUS, plasmonisch, metallische Nanopartikel
