Innovation im Bereich Solarenergie
Seit Jahrzehnten sind Solartechnologien und ihre Anwendungen von Farbstoffsolarzellen (dye-sensitized solar cells, DSSCs) abhängig. Um die natürliche Absorption von Licht zu imitieren, die bei der Photosynthese stattfindet, kommt bei DSSCs ein photoaktiver Farbstoff zum Einsatz, der Photonen absorbiert und mit ihrer Energie Elektronen anregt, die dann wiederum in eine nanokristalline Titandioxidschicht transferiert werden. Dieser Vorgang funktioniert zwar gut, Titandioxid muss jedoch bei hohen Temperaturen verarbeitet werden, was nicht mit kostengünstigen Fertigungsverfahren vereinbar ist. Dies steht der Serienfertigung von Solarmodulen und somit einer verstärkten Anwendung von Photovoltaikanlagen entgegen. Anstatt sich mit dem Status Quo zufriedenzugeben, suchten die Forscher des EU-geförderten Projekts NANOMATCELL nach besseren Alternativen und könnten der Solarindustrie so einen kräftigen Innovationsschub verschaffen. Abkehr vom Titan Die Forscher von NANOMATCELL konzentrierten sich darauf, das Titan durch innovative neue Materialien und Technologien zu ersetzen, um so eine hocheffiziente Solarzellenfertigung zu erreichen. Zum Forschungsteam zählten Fachleute aus den Bereichen Materialwissenschaft, Chemie, Oberflächenpassivierung und Physik, deren gemeinsames Ziel darin bestand, das Spektrum des Sonnenlichts besser auszunutzen. Zu diesem Zweck wollten sie sowohl neue Materialien entwickeln, mit denen Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad möglich sind, als auch neuartige panchromatische Halbleiter erstellen, die mit umweltfreundlichen Verbindungen und Verfahren herstellbar sind. Diese Ziele stellten eine große Herausforderung dar, da zahlreiche neue Strategien und Komponenten entwickelt werden mussten. So musste das Team beispielsweise zunächst neue Strategien für Synthese, Wachstum und Dotierung der Halbleiter-Nanokristalle und -Nanodrähte ausarbeiten. Da bestimmte Farbstoffe bei der Funktionsweise von DSSCs eine zentrale Rolle spielen, mussten die Wissenschaftler auch neue Farbstoffe entwickeln, welche mit einem größeren Teil des Spektrums kompatibel sind. Es waren also neue Farbstoffe für kurze Wellenlängen und für den nahen Infrarotbereich erforderlich. Verbesserte Marktgängigkeit Es mussten aber nicht nur die DSSCs selbst verbessert werden, auch die Phasen nach der Absorption des Lichts waren relevant. Auch hier erzielten die Forscher wesentliche Verbesserungen beim Gesamtwirkungsgrad von Solarzellen. Die NANOMATCELL-Forscher stellten eine Reihe von Solarzellen her, die auf panchromatischen anorganischen Hybridabsorbern basieren. Alle diese Zellen weisen eine erhöhte Leistungsfähigkeit auf und könnten sogar noch weiter optimiert werden. Dank neuer, im Rahmen des Projekts entwickelter Verarbeitungsverfahren konnten mit einigen Solarzellen bahnbrechende Wirkungsgrade von über 15 % erreicht werden. Somit wurde der Stand der Technik für DSSCs durch das NANOMATCELL-Projekt neu definiert und der Wirkungsgrad so stark angehoben, dass eine hohe Vermarktbarkeit anzunehmen ist. Weitere Auswirkungen Obwohl das Projekt selbst bereits abgeschlossen wurde, werden noch immer weitere Auswirkungen sichtbar. Laut einem kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlichten Forschungsbericht ist derzeit ein neuer Photodetektor in Arbeit, der sowohl mit Graphen als auch mit Quantenpunkten arbeitet. Die Kombination dieser beiden Materialtechnologien könnte zu schnellen, effizienten und kostengünstigen Geräten führen, mit denen Licht aus dem sichtbaren Spektrum und dem nahen sowie dem kurzwelligen Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von bis zu 3 µm genutzt werden kann. Die Forscher sind der Ansicht, dass dieser neuartige Ansatz mit dem CMOS-Fertigungsverfahren zur Serienfertigung von Siliziumhalbleitern sowie mit zukünftigen elektronischen Plattformen kompatibel sein wird. Da die hocheffiziente Photodetektion im kurzwelligen Infrarotbereich ab 1 µm Wellenlänge nur mit relativ teuren Geräten möglich ist, bedeutet diese Entwicklung eine weitere Revolution des herkömmlichen Ansatzes für Solarzellentechnologie, und auch in Zukunft werden sich weitere Möglichkeiten für Kosteneinsparungen ergeben. Weitere Informationen finden Sie auf: www.nanomatcell.eu (NANOMATCELL-Projektwebsite)
Länder
Spanien