5 ungewöhnliche Sonnenkollektoren der Zukunft

Heute Silizium-Solarmodule - weit entfernt vom Finale auf dem Weg zur Eindämmung der Sonnenenergie und ihrer Umwandlung in nützliche elektrische Energie. Viele Arbeiten werden noch von Wissenschaftlern ausgeführt, und in diesem Artikel werden fünf ungewöhnliche Lösungen betrachtet, die einige der modernen Forscher entwickeln.

Das American National Renewable Energy Laboratory (NREL) wird gebaut eine Solarbatterie auf Basis von Halbleiterkristallen, deren Größe einige Nanometer nicht überschreitetDies sind die sogenannten Quantenpunkte. Die Stichprobe ist bereits ein Champion in Bezug auf die externe und interne Quanteneffizienz, die 114% bzw. 130% betrug.

Diese Eigenschaften zeigen das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Elektron-Loch-Paare zur Anzahl der auf die Probe einfallenden Photonen (externe Quanteneffizienz) und das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Elektronen zur Anzahl der absorbierten Photonen (interne Quanteneffizienz) für eine bestimmte Frequenz.

Die externe Quanteneffizienz ist geringer als die interne, da nicht alle absorbierten Photonen an der Erzeugung beteiligt sind und einige der auf das Panel einfallenden Photonen einfach reflektiert werden.

Die Probe besteht aus folgenden Teilen: einem Glas in einer Antireflexionsbeschichtung, einer Schicht eines transparenten Leiters, dann nanostrukturierten Schichten aus Zinkoxid und Quantenpunkten aus Bleiselenid, dann Ethandithiol und Hydrazin und einer dünnen Schicht aus Gold als obere Elektrode.

Der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Zelle beträgt etwa 4,5%, dies reicht jedoch für die experimentell erhaltene ziemlich hohe Quanteneffizienz dieser Materialkombination aus, und dies bedeutet Optimierung und Verbesserung im Voraus.

Keine einzige Solarzelle hat einen externen Quantenwirkungsgrad von über 100% gezeigt, während die Einzigartigkeit dieser NREL-Entwicklung in der Tatsache liegt, dass jedes Photon, das auf die Batterie fällt, mehr als ein Elektron-Loch-Paar am Ausgang erzeugt.

Der Grund für den Erfolg war die mehrfache Erzeugung von Exzitonen (MEG), ein Effekt, der erstmals zur Herstellung einer vollwertigen Solarbatterie zur Stromerzeugung genutzt wurde. Die Intensität des Effekts hängt mit den Parametern des Materials, der Bandlücke im Halbleiter und auch mit der Energie des einfallenden Photons zusammen.

Die Größe des Kristalls ist entscheidend, da Quantenpunkte innerhalb eines winzigen Volumens Ladungsträger begrenzen und überschüssige Energie sammeln können, da diese Energie sonst einfach in Form von Wärme verloren gehen würde.

Das Labor ist der Ansicht, dass die auf dem MEG-Effekt basierenden Elemente sehr würdige Kandidaten für den Titel einer neuen Generation von Solarmodulen sind.

Ein anderer ungewöhnlicher Ansatz zur Herstellung von Solarzellen wurde von Prashant Kamat von der University of Notre Dame vorgeschlagen. Seine Gruppe entwickelte eine Farbe auf der Basis von Quantenpunkten aus Titandioxid, die mit Cadmiumsulfid und Cadmiumselenid in Form eines Wasser-Alkohol-Gemisches beschichtet waren.

Die Paste wurde auf eine Glasplatte mit einer leitenden Schicht aufgetragen, dann gebrannt und das Ergebnis war Photovoltaikbatterie. Ein Substrat, das in ein Photovoltaik-Modul umgewandelt wurde, benötigt nur eine Elektrode oben, und es ist möglich, elektrischen Strom zu erhalten, indem man es in die Sonne legt.

Wissenschaftler glauben, dass es in Zukunft möglich sein wird, Farben für Autos und Häuser herzustellen und so beispielsweise das Dach eines Hauses oder die mit dieser speziellen Farbe lackierte Karosserie in Sonnenkollektoren umzuwandeln. Dies ist das Hauptziel der Forscher.

Obwohl der Wirkungsgrad nicht hoch ist, nur 1%, was 15-mal weniger als bei herkömmlichen Siliziumplatten ist, kann Solarfarbe in großen Mengen und sehr kostengünstig hergestellt werden.So kann der Energiebedarf in Zukunft gedeckt werden, sagen Chemiker der Kamat-Gruppe, die ihre Nachkommen anrufen "Sun-Believable", was übersetzt "solar-wahrscheinlich" bedeutet.

Weiter ungewöhnlich Solarenergieumwandlungsmethode Angebot am Massachusetts Institute of Technology. Andreas Mershin und Kollegen erstellt experimentelle Batterien, die auf einem Komplex biologischer Moleküle basieren, die Licht "sammeln" können.

Das PS-1-Photosystem, das aus dem Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus entlehnt wurde, wurde vom Molekularbiologen Shuguan Zhang und mehreren seiner Gleichgesinnten 8 Jahre vor Beginn der aktuellen Experimente, Andreas Mershin, vorgeschlagen.

Der Wirkungsgrad der Systeme betrug nur etwa 0,1%. Dies ist jedoch bereits ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Masseneinführung in den Alltag, da die Kosten für die Herstellung solcher Geräte äußerst gering sind und biologische Besitzer im Allgemeinen ihre eigenen Batterien mit einer Reihe von Chemikalien und einem Stapel frisch geschnittenem Gras herstellen können . In der Zwischenzeit wird eine Reihe von Verbesserungen den Wirkungsgrad auf 1-2% erhöhen, d.h. auf ein wirtschaftlich tragfähiges Niveau.

Bisher konnten ähnliche Zellen mit Photosystemen nur unter Laserlicht, das streng auf die Zelle konzentriert war, und dann nur in einem engen Wellenlängenbereich vernünftig arbeiten. Außerdem wurden teure Chemikalien und Laborbedingungen benötigt.

Ein weiteres Problem war, dass die aus Pflanzen extrahierten Molekülkomplexe nicht lange existieren konnten. Jetzt hat das Institutsteam eine Reihe von oberflächenaktiven Peptiden entwickelt, die das System umhüllen und für lange Zeit aufbewahren.

Durch die Steigerung der Effizienz der Lichtsammlung löste das Team am Massachusetts Institute of Technology das Problem des Schutzes von Photosystemen vor ultravioletter Strahlung, die zuvor das Photosystem beschädigte.

PS-1 wurde nun nicht auf ein glattes Substrat, sondern auf eine Oberfläche mit einer sehr großen effektiven Fläche gesät. Dies waren 3,8 μm dicke Titandioxidrohre mit Poren von 60 nm und dichte Zinkoxidstäbe mit einer Höhe von mehreren Mikrometern und einem Durchmesser von mehreren hundert Nanometern .

Diese Varianten der Photoanode ermöglichten es, die Anzahl der Chlorophyllmoleküle unter Licht zu erhöhen, und schützten die PS-1-Komplexe vor ultravioletten Strahlen, da beide Materialien sie gut absorbieren. Darüber hinaus spielen Titanröhren und Zinkstäbe auch die Rolle eines Gerüsts und wirken als Elektronenträger, während das PS-1 Licht sammelt, es assimiliert und die Ladungen trennt, wie dies in lebenden Zellen der Fall ist.

Eine der Sonne ausgesetzte Zelle ergab eine Spannung von 0,5 Volt mit einer spezifischen Leistung von 81 Mikrow pro Quadratzentimeter und einer Photostromdichte von 362 μA pro Quadratzentimeter, was zehnmal höher ist als bei jedem anderen Biovoltaiksystem, das bisher auf Basis natürlicher Photosysteme bekannt war.

Jetzt lass uns darüber reden Solarzellen auf Basis organischer Polymere. Wenn sie eine Massenproduktion aufbauen, sind sie viel billiger als Siliziumkonkurrenten, obwohl sie bereits einen Wirkungsgrad von 10,9% erreicht haben. Tandem-Polymer-SolarbatterieDas von einem Team von Wissenschaftlern der University of California in Los Angeles (UCLA) erstellte Team besteht aus mehreren Schichten, von denen jede mit einem eigenen Teil des Spektrums arbeitet.

Eine erfolgreiche Kombination verschiedener Substanzen, die sich bei der Zusammenarbeit nicht gegenseitig stören, ist der wichtigste Punkt. Aus diesem Grund entwickelten die Autoren speziell konjugierte Polymere mit geringer Bandlücke.

Im Jahr 2011 gelang es den Wissenschaftlern, eine solche einschichtige Polymerzelle mit einem Wirkungsgrad von 6% zu erhalten, während die Tandemzelle einen Wirkungsgrad von 8,62% aufwies. Die Forscher arbeiteten weiter daran, den Bereich des Arbeitsspektrums im Infrarotbereich zu erweitern, und mussten das Polymer des japanischen Unternehmens Sumitomo Chemical hinzufügen, wodurch es ihnen gelang, einen Wirkungsgrad von 10,9% zu erreichen.

Dieses erfolgreichste Design besteht aus einer vorderen Zelle aus einem Material mit einer großen Bandlücke und einer hinteren Zelle mit einer schmalen Bandlücke.Die Autoren der Entwicklung argumentieren, dass die Herstellung eines solchen Konverters, einschließlich der Materialkosten, nicht sehr teuer ist, außerdem ist die Technologie selbst mit heute hergestellten Dünnschichtsolarmodulen kompatibel.

Es scheint, dass Solarzellen auf Basis organischer Polymere in den nächsten Jahren kommerziell rentabel werden, da die Entwickler planen, ihren Wirkungsgrad auf 15%, dh auf das Siliziumniveau, zu steigern.

Abgerundet wird die Bewertung superdünne Sonnenkollektoren mit einer Dicke von 1,9 MikrometernDas ist zehnmal dünner als alle anderen früher hergestellten Dünnschichtbatterien. Japanische und österreichische Wissenschaftler haben gemeinsam ein dünnes organisches, ungewöhnlich flexibles Solarpanel entwickelt. Bei der Demonstration wurde das Produkt um ein menschliches Haar mit einem Durchmesser von 70 & mgr; m gewickelt.

Zur Herstellung der Batterie wurden traditionelle Materialien verwendet, aber das Substrat bestand aus 1,4 Mikrometer dickem Polyethylenterephthalat. Mit einem Wirkungsgrad von 4,2% betrug die spezifische Leistung der neuen Solarbatterie 10 Watt pro Gramm, was im Allgemeinen 1000-mal höher ist als der entsprechende Indikator für mehrkristalline Siliziumbatterien.

In dieser Hinsicht scheint es vielversprechend, Bereiche wie „intelligente Textilien“ und „intelligente Haut“ zu entwickeln, in denen elektronische Solarkreise, die mit ähnlicher Technologie hergestellt wurden, neben Sonnenkollektoren ebenso dünn und flexibel sein können.

Siehe auch:5 ungewöhnliche Designs von Windgeneratoren