- Forschende schlagen neue Methode zur Verringerung von Energieverlusten in Solarzellen vor.
- Die Methode steigert den Wirkungsgrad durch Steuerung der Lichtemissionsrichtung.
- Die Forschung deutet darauf hin, dass das Shockley-Queisser-Limit übertroffen werden könnte.
- Das Prinzip lässt sich auf verschiedene Photovoltaik-Technologien anwenden und erhöht die Stromerzeugungsfähigkeit.
Forschende am Institut für Photonische Wissenschaften (ICFO) in Barcelona haben experimentell eine Methode demonstriert, bei der durch die Steuerung der Lichtemissionsrichtung von Solarzellen Energieverluste reduziert werden, was das Potenzial birgt, die Stromerzeugungsfähigkeit der Zellen zu erhöhen. Die Methode wurde im Journal „Energy & Environmental Science“ veröffentlicht und könnte einen Weg aufzeigen, die konventionelle theoretische Effizienzgrenze von Einzelübergang-Solarzellen zu überwinden. Die Forschung konzentriert sich auf einen als Boltzmann-Verlust bezeichneten Verlustmechanismus, der auftritt, wenn Materialien, die Licht absorbieren können, auch Licht emittieren.
Warum ist die Emissionsrichtung des Lichts entscheidend? Solarzellen empfangen Sonnenlicht aus einer relativ schmalen Richtung. Die Sonne nimmt am Himmel nur einen kleinen Bereich ein, was bedeutet, dass das in die Solarzelle eintretende Sonnenlicht nur innerhalb eines schmalen Kegels ankommt. Die in der Solarzelle erzeugten Photonen hingegen können in der Regel in einen weitaus breiteren Richtungsbereich emittiert werden. Laut ICFO-Forschenden verringert diese Diskrepanz zwischen dem schmalen Eintrittskegel und dem breiten Emissionskegel die nutzbare Leistung, die aus dem Gerät gewonnen werden kann.
Notwendigkeit der Steuerung der Lichtemissionsrichtung
Die Forschenden wollen diesen Verlust verringern, indem sie die Solarzelle bei der Lichtemission richtungsselektiver machen. Das von ICFO- und UPC-Professor Jordi Martorell geleitete Team umfasste Dr. Francisco Bernal Texca, Chiara Cortese, Dr. Mariia Kramarenko und Dr. Quan Liu. Sie verwendeten eine invertierte organische Solarzelle auf Basis einer PM6:Y6-Materialmischung und wandelten sie in einen optischen Resonator um.
Diese Struktur unterdrückte die Photonenemission bei großen Winkeln und verengte so effektiv den Emissionskegel der Zelle.
Die Forschenden erreichten diesen Effekt durch eine silberbasierte Vorderelektrode und eine Schichtstruktur sowie eine zweite Silberelektrode auf der Rückseite der Zelle. Die metallische Vorderelektrode bietet über einen weiten Bereich von Emissionswinkeln hohe Reflektivität. In Kombination mit der Rückelektrode und ihren umgebenden Schichten bildet sie einen optischen Resonator. Dieser Resonator erfüllt zwei Funktionen gleichzeitig: Er unterdrückt die Lichtemission bei größeren Winkeln und lässt gleichzeitig das Sonnenlicht von der Quelle effizient eintreten. Dadurch wird die Winkelverteilung des emittierten Lichts der des einfallenden Sonnenlichts ähnlicher.
Herausforderung der konventionellen Effizienzgrenze
Die Forschenden weisen darauf hin, dass diese Methode keine komplexeren Fertigungsprozesse erfordert als viele andere Strategien, die erforscht werden, um die photovoltaische Effizienz über die konventionellen Grenzen hinaus zu treiben. Die Studie zielt auf das bekannte Shockley-Queisser-Limit ab, ein Modell, das die theoretische obere Effizienzgrenze konventioneller Einzelübergang-Solarzellen unter Modellannahmen beschreibt. Das ICFO setzt dieses Limit auf 33,16 % an. Die Forschenden geben an, dass theoretisch ein Wirkungsgrad von nahe 43 % erreicht werden könnte, wenn der Emissionskegel ausreichend verengt werden kann, um den Absorptionskegel des Sonnenlichts besser anzupassen.
Das bedeutet nicht, dass die Forschenden bereits eine Solarzelle mit 43 % Wirkungsgrad hergestellt haben. Die Studie demonstriert eine optische Strategie zur Verringerung des betreffenden Verlustmechanismus in organischen Photovoltaik-Geräten. „Unsere Forschung ist ein bedeutender Fortschritt im Bereich der Solarenergieumwandlung, weil sie einen völlig unerforschten Pfad eröffnet, um das Shockley-Queisser-Limit zu überwinden“, sagte Erstautor Dr. Francisco Bernal Texca.
Die Forschenden betonen zudem, dass das Prinzip nicht auf die organische Photovoltaik beschränkt ist. Zwar wurde das Experiment mit organischen Solarzellen durchgeführt, doch Martorell zufolge lässt sich das Konzept prinzipiell auf verschiedene Photovoltaik-Technologien anwenden. Sollte sich dieser Ansatz in effizientere praktische Geräte umsetzen lassen, könnte die Steuerung der Photonenemissionsrichtung ein weiteres Werkzeug werden, um aus der gleichen Menge Sonnenlicht mehr Strom zu gewinnen. Laut den Forschenden kann ein höherer photovoltaischer Wirkungsgrad zudem den Flächen- und Materialbedarf für eine gegebene Solarleistung verringern und gleichzeitig den Kosten pro Watt senken.
Potenzieller Einfluss der neuen Methode auf die Solartechnologie
Die vorgestellte neue Methode adressiert das Problem der Energieverluste in Solarzellen, indem sie die Lichtemissionsrichtung anpasst, um den Wirkungsgrad zu steigern, und zeigt Potenzial, die konventionelle Theorie zu übertreffen. Das Shockley-Queisser-Limit war lange eine Herausforderung für die Photovoltaik-Technologie, und der Fortschritt dieser Studie könnte neue Denkansätze für das zukünftige Design von Solarzellen liefern. Ein höherer photovoltaischer Wirkungsgrad würde nicht nur den Energieertrag steigern, sondern auch den benötigten Flächen- und Materialbedarf verringern sowie die Kosten senken, was für die Förderung erneuerbarer Energien von großer Bedeutung ist.