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Hocheffiziente Solarzellen

Eine Effizienz über der theoretischen 40,7% Grenze kann potenziell durch die dritte Generation von Solarzellen erreicht werden. Die Zugabe eines schmalen Bands von Energiezuständen in der Mitte der verbotenen Bandlücke von Halbleitermaterialien ist ein vorläufiger Schritt in diese Richtung.
Hocheffiziente Solarzellen
Bisher wurden die Grundlagen des Betriebs der Zwischenbandsolarzellen experimentell demonstriert. Das Zwischenband ermöglicht die Absorption von Photonen geringerer Energie, die sonst durch das photovoltaische Material übertragen werden. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass Wirkungsgrade bis zu 63% unter konzentriertem Sonnenlicht erreicht werden.

Ziel des EU-geförderten Projekts SIRACUSA (Study on intermediate band materials with prevailing radiative carrier recombination for superior solar energy applications) war es, eine solche hocheffiziente Solarzelle zu entwickeln, indem ein zusätzliches Band durch die Ebene der tiefen Verunreinigungen eingefügt wird. Forscher untersuchten eine Alternative zum Einfügen von Quantenpunkten in den inneren Bereich eines p-i-n-Halbleiters.

Mittels Molekularstrahlepitaxie schufen sie ein Zwischenband durch den Einbau einer hohen Konzentration an Eisen (Fe) in Galliumarsenid (GaAs), das mit Silizium co-dotiert ist. Sekundärionen-Massenspektrometrie wurde verwendet, um das neue Material zu charakterisieren und bestätigte eine hohe Konzentration an eingebautem Fe. Die elektrischen Eigenschaften wurden anhand von Hall-Effekt-Messungen untersucht.

Das Vorhandensein von Verunreinigungen in der verbotenen Bandlücke eines Halbleiters wurde traditionell für die Leistung von Solarzellen als nachteilig angesehen. Allerdings prognostiziert die Theorie, dass, wenn sie bei ausreichend hoher Konzentration eingearbeitet sind, Wellenfunktionen fremder Arten ein Band überlappen, um ein Band zu bilden und nicht-strahlende Prozesse zu unterdrücken.

Vor dem SIRACUSA Projekt orientierten sich die meisten praktischen Implementierungen des Zwischenbandkonzepts auf die Verwendung von Nanotechnologie - insbesondere Quantenpunkte. Diese Forscher waren die ersten, die sich an der Herstellung von GaAs versuchten: Fe Zwischenbandsolarzellen.

Es wurde angenommen, dass Photorese-Reaktrion auf Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke hauptsächlich aus As-Substitutionsatomen und Ga-Leerstellen stammen. Die Einführung von zusätzlichen Energiezuständen innerhalb der Bandlücke durch die Fe-Atome trug auch zur Erzeugung eines Photostroms bei.

Ein hoher Photostrom muss bereitgestellt werden, während die Leerlaufspannung der Solarzelle beibehalten wird. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, eine strengere Kontrolle über den Wachstumsprozess auszuüben, um ein qualitativ hochwertiges Zellmaterial bei niedriger Temperatur zu erzeugen.

Beim Versuch, das Zwischenbandkonzept in die Praxis umzusetzen, gibt es verschiedene Materialien und Systeme, die theoretisch vorgeschlagen wurden. Unter den zahlreichen Kandidaten, die derzeit untersucht werden, kann sich immer noch der ideale verstecken.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Solarzellen, Halbleitermaterialien, Zwischenband, SIRACUSA, Quantenpunkte
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