Hybrid-Solarzellentechnologie nutzt Wärme und Licht der Sonne

EU-finanzierte Forscher haben ein innovatives Hybridsystem, eine Kombination aus Photovoltaik und Thermoelektrizität, geschaffen, die aus sämtlichen Wellenlängen des von der Sonne ankommenden Lichts Elektrizität gewinnen kann. Die Perowskite, deren beeindruckendes Leistungsverhalten bis vor kurzem weitgehend unbekannt war, verblüfften die Forscher in diesen Hybridbauelementen mit ihren hohen Umwandlungswirkungsgrade.

Energie

Absorbermaterialien sind Schlüsselkomponenten für Photovoltaikanwendungen. Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad erfordern, dass Licht aus allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums gewonnen und in Strom umgewandelt wird. Bislang sind jedoch keine Sensibilisatoren bekannt, die diese Kapazität aufweisen. Das von der EU finanzierten Projekt GLOBASOL(öffnet in neuem Fenster) (Global solar spectrum harvesting through highly efficient photovoltaic and thermoelectric integrated cells) könnte nun einen Weg zur Lösung dieses Problems gefunden haben, indem zukunftsweisende Konzepte für Lichtmanagement und neue optisch aktive Materialien, die das Spektrum von nahezu der gesamten Sonnenstrahlung ausnutzen, gemeinsam ins Spiel gebracht werden. Die Forscher entwickelten unter Einsatz organischer und metallorganischer panchromatischer Farbstoffe zusammen mit quasi-festen Elektrolyten, die Strahlung bis zu Wellenlängen von 750 nm sammeln, sensibilisierte mesoskopische Solarzellen (Sensitised Mesoscopic Solar Cells, SMSC). Die Strahlung im Bereich von 750 bis 1 100 nm wurde mit SMSCs auf Basis von Quantenpunkten gewonnen. Revolutionäre photonische Bandlückenstrukturen verstärken die Absorption von Photonen im roten Bereich oder im nahen Infrarot durch die sensibilisierten mesoskopischen Solarzellen. Diese, auch für Photonen geringerer Energie transparenten Systeme können als Frontzellen in Tandemanordnungen verwendet werden, um einen großen Anteil der Sonnenstrahlung zu sammeln. Die langwellige Strahlung (über 1 100 nm) wurde durch die thermoelektrischen Bauelemente ausgenutzt. GLOBASOL entwickelte neue Materialien auf Basis von organisierten Quantenpunkten, Nanodrähten oder Massenlegierungen mit hohen Leistungszahlen im Temperaturbereich von 500 bis 700 Kelvin. Die Wissenschaftler nutzten Tandem-Zellarchitekturen und geeignete optische Geräte (Konzentrationslinsen oder -spiegel) zur effizienten Trennung der Lichtwellenlängen und zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des thermoelektrischen Bauelements. Ein Durchbruch des Projekts war die Entwicklung hocheffizienter Festkörper-Hybridsolarzellen auf Grundlage von organometallischen Trihalogenid- Perowskit-Absorbern. Durch simples Mischen der Salze von Bleijodid und Methylammoniumjodid in einer Lösung bildete das Material auf natürliche Weise symmetrische Kristalle, deren Struktur die Freisetzung elektrischer Ladungen unterstützt, wenn sie durch Sonnenlicht angeregt werden. Diese Kristalle werden als nächste Generation von Materialien angesehen, welche die Steigerung des Energieumwandlungswirkungsgrads auf über 17 % bewerkstelligen werden. Es wurde eine sorgfältige Integration der sensibilisierten mesoskopischen Solarzellen und der thermoelektrischen Zellen vorgenommen, um die hohen Leistungen der separaten Zellen beizubehalten. Der Umwandlungswirkungsgrad des gesamten Bauelementsystem überschritt 28 %, was über den Stand der Technik hinausgeht.