- Die Forschung der Universität Oxford zeigt, dass Sulfidselenid-Materialien Solarverluste erheblich reduzieren können.
- Sulfidselenid hat eine ungewöhnliche interne Energiestruktur, die Ladungen lange speichern kann.
- Dieses Material ist noch nicht kommerzialisiert, bietet jedoch einen Fahrplan für das Design neuer Halbleiter.
- Das ungiftige Sulfidselenid kann traditionelle giftige Materialien ersetzen und bietet ökologische Vorteile.
Die Forscher der Universität Oxford haben herausgefunden, dass Sulfidselenid-Materialien ein wesentliches Hindernis bei der Nutzung von Solarenergie überwinden können. Das Problem besteht darin, dass Materialien, die intensiv Sonnenlicht absorbieren, oft zu schnell Ladungen verlieren und somit nicht effektiv Energie erzeugen können. Die von den Forschern identifizierten Halbleitermaterialien verfügen über eine ungewöhnliche interne Energiestruktur, die wie ein temporärer Warteraum wirkt. Konkret sind sie in der Lage, die eingefangene Energie länger zu halten und bei Raumtemperatur die Ladungsverluste um etwa 75% zu reduzieren. Professorin Lola Hertz, die entsprechende Autorin der Studie am Physikdepartment der Universität Oxford, erklärte: „Ein langfristiges Problem bei der Entwicklung effizienter Solarenergienmaterialien ist, dass die Eigenschaften, die Halbleiter besonders gut darin machen, Sonnenlicht zu absorbieren, oft auch dazu führen, dass die erzeugten Ladungen schnell verschwinden.
Unsere Forschung zeigt, dass dieser Kompromiss nicht unvermeidlich ist.”
Die Schlüsseltechnologie besteht darin, dass Solarzellen durch das Einfangen freigesetzter Elektronen elektrische Energie erzeugen, um zu verhindern, dass diese Ladungen sich wieder mit positiv geladenen Löchern rekombinieren und als Wärme verloren gehen. Materialien, die darauf ausgelegt sind, Sonnenlicht maximal zu absorbieren, schaffen von Natur aus eine überfüllte Umgebung, in der diese Ladungen fast sofort kollidieren. Diese schnelle Rekombination setzt der Effizienz standardmäßiger Lichtsammler-Halbleiter Grenzen. Halbleiter auf Basis von Sulfidselenid helfen, diesen Zustand zu verändern. Das Oxford-Team verwendete ultrakurze Terahertz-Spektroskopietechniken, die im Wesentlichen Laserimpulse von mehreren Mikrosekunden abfeuern, um die Filme des Materials zu untersuchen.
Quanteneigenschaften von Sulfidselenid
Die Ergebnisse, die sie entdeckten, waren überraschend. Sulfidselenid weist eine seltene Quantenanordnung auf, die als pseudodirekter Halbleiter bezeichnet wird. Lichtenergie tritt über einen Hauptkanal mit hoher Energie ein, wo Sonnenlicht stark absorbiert wird. Direkt unter diesem Eingang entsteht sofort ein Zustand mit niedrigerer Energie, der zur Auffangung angeregter Ladungen dient. Als temporärer Speicherpool speichert dieser Zustand die Ladungen sicher, bevor sie wieder freigesetzt werden. Dieser Zustand ist nicht leicht dazu geneigt, Ladungen zu verlieren, was es den Elektronen ermöglicht, sicher im Speicher zu verweilen, bis der Zeitpunkt zum Sammeln kommt. Bei Raumtemperatur reduziert dieser mikroskopische Warteraum die Ladungsverluste um 75% im Vergleich zu herkömmlichen Materialien.
Professor Hertz fügte hinzu: „Indem wir aufzeigen, wie eine ungewöhnliche elektronische Struktur starke Lichtabsorption mit langsamerer Rekombination kombiniert, haben wir ein neues Prinzip zur Gestaltung von Halbleitern identifiziert, das uns helfen könnte, Solarenergie effizienter zu sammeln.” Das ungiftige Sulfidselenid ist bislang noch nicht als Dachpaneel auf dem Markt verfügbar. Das Oxford-Team betont, dass diese Forschung einen grundlegenden physikalischen Mechanismus demonstriert, nicht ein kommerzielles Produkt. Wichtig ist jedoch, dass das Wissen um die Existenz dieses elektronischen Abkürzungswegs entscheidend ist. Die Forscher können nun Materialdatenbanken durchsuchen und maßgeschneiderte Halbleiter mit denselben „Abkürzungs“-Eigenschaften entwerfen.
Potenzial für zukünftige Halbleiterdesigns
Professor Hertz erklärte: „Das Besondere an dieser Entdeckung ist, dass wir nicht nur die Eigenschaften bestehender Halbleiter verbessern, sondern auch eine andere Art identifizieren, wie Halbleiter funktionieren können. Das Verständnis dieses Mechanismus bietet uns einen Fahrplan zur Entdeckung und potenziellen Entwicklung weiterer Materialien mit ähnlichen vorteilhaften Eigenschaften.”
Dies könnte nicht nur Solarzellen freischalten, sondern auch eine längere Lebensdauer von Ladungen ermöglichen, die Sonnenenergie in chemische Brennstoffe umwandeln. Sulfidselenid als erdreiches und ungiftiges alternatives Material bietet Vorteile in Bezug auf Umwelt und Herstellung, da es Materialien mit Blei oder Cadmium ersetzt. Die Forscher können kostengünstige Methoden wie Lösungsmittelbehandlung, thermische Verdampfung und chemische Badabscheidung nutzen, um diese Filme effizient herzustellen. Die Studie wurde am 28. Oktober in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Artikel Spezifikation Prozessor Sulfidselenid Reduzierung der Ladungsverluste 75%
Potenzielle Auswirkungen von Sulfidselenid-Materialien
Die Entdeckung von Sulfidselenid-Materialien kann nicht nur die Effizienz von Solarzellen verbessern, sondern auch das Designdenken von Halbleitern verändern. Die einzigartige elektronische Struktur dieses Materials ermöglicht es, Ladungen effektiv zu erfassen und zu speichern, wodurch Energieverluste reduziert werden. Mit einem tieferen Verständnis dieses Mechanismus können Forscher weitere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften erkunden und den Fortschritt der erneuerbaren Energietechnologien vorantreiben. Darüber hinaus macht die umweltfreundliche Eigenschaft von Sulfidselenid es zu einer attraktiven alternativen Wahl, die nachhaltige Entwicklung fördert.