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Ultra precise nanoparticles to harvest light

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Nanoteilchen verbessern die Umwandlung von Licht in Strom

EU-finanzierte Forscher haben demonstriert, dass die ausgezeichneten optischen Eigenschaften winziger Halbleiter- und Metall-Nanoteilchen im Bereich der Sonnenenergie genutzt werden können, um die Effizienz von Solarzellen zu steigern und den Markt für eine großflächige Aufnahme vorzubereiten.

Energie

Nanoteilchen stellen eine flexible Materialplattform dar, die neue Ansätze für die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität bietet. Insbesondere Halbleiter-Nanostrukturen, bei denen zumindest eine Dimension klein genug ist, um Quanteneinschlußeffekte zu erzeugen, haben neue Möglichkeiten für eine Verbesserung der Effizienz des primären Fotoumwandlungsprozesses eröffnet. Im Rahmen des Projekts ULTRA PARTICLE (Ultra precise nanoparticles to harvest light) versuchten Forscher die Effizienz zu steigern, die mit Quantendots (QDs) und Metallteilchen möglich ist. Das oberste Ziel bestand in der Anpassung von QDs und Metallteilchen zur Absorption von Lichtteilchen in der Solarzelle mit Energien, die einen weitaus größeren Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken. Die Solarzellen werden hierdurch die Generierung von mehr Elektrizität aus der gleichen Menge an Sonnenlicht ermöglichen. Bei QDs handelt es sich um eingeschlossene 3D-Halbleiter-Nanokristalle mit einzigartigen Eigenschaften, die deren Zusammensetzung, Form und Größe zugrunde liegen. Eine Manipulation deren Größen verändert sowohl die Absorption als auch die Emission von QDs. Ebendiese Möglichkeit einer Feineinstellung hat QDs zu einer so großen Beliebtheit im Display-Bereich von elektronischen Geräten wie Smartphones oder Fernsehapparaten verholfen. Die Metallteilchen zeigen bei einer bestimmten Farbe eine starke (plasmonische) Schwingung, welche die optische Absorption in der diese umgebenden Halbleiter-Solarzelle verbessert. Mit den ULTRA-PARTICLE-Fördermitteln kauften die Forscher eine hochmoderne Gasaggregations-Clusterquelle, um Nanoteilchen mit einer gut definierten und konsistenten Größe herzustellen. Nachdem diese mit einem Dünnfilm-Pulverisierungsgerät verbunden worden war, sammelte das Team Proben von Silber-, Gold-, Aluminium-, Silizium (Si)- und Germanium-Nanoteilchen, die an verschiedenen Substraten abgelagert waren. Eine sorgfältige Evaluation unter Verwendung einer Abstoßungskraft- und Transmissions-Elektronenmikroskopie bestätigen die Tauglichkeit der Nanoteilchen für eine Einbettung in amorphes Si. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer Nutzung metallischer Nanostrukturen, welche lokalisierte Oberflächenplasmonen – Exzitationen leitender Elektronen bei metallisch-dielektrischen Schnittstellen – unterstützen, um die Absorption von Sonnenlicht zu steigern. In der Zwischenzeit bereiteten die Forscher sorgfältig Si-Nanoteilchen mit Größen innerhalb des Quanteneinschlusslimits vor. Dies war das oberste Ziel bezüglich des Fördermittelvorschlags. Es wurden Nanoteilchen vorbereitet, die groß genug waren, um einen ausreichenden Ertrag für die Herstellung nanoteilchenassemblierter Si-Filme des Typs zu erzielen, der für die Dünnfilm-Photovoltaik erforderlich ist. Die ULTRA-PARTICLE-Errungenschaften haben den Grundstein für die Anpassung der optischen Eigenschaften von QDs gelegt, um einen größeren Wellenlängenbereich abzudecken. Indem die Technologie auf ein ungeahntes Effizienzniveau für QD-basierte Solarzellen gehievt wird, wird eine kostengünstigere Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität ermöglicht und zu einer großflächigen Marktaufnahme angeregt.

Schlüsselbegriffe

Quantendots, Nanoteilchen, Plasmonik, Clusterquelle, Sonnenenergie, Solarzellen, ULTRA PARTICLE, Silizium

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