Der Wirkungsgrad von Nanodraht-Fotozellen stieg auf 17,8%

Schematische Struktur einer Nanodraht-Fotozelle

Forscher der Technischen Universität Eindhoven (Niederlande) stellten einen neuen Rekord für die Effizienz von Fotozellen mit einer Nanodraht auf: 17,8%. Dies ist ein relativ neuer Solarzellentyp, der vor weniger als einem Jahrzehnt erfunden wurde. In so kurzer Zeit gelang es ihm, die Effizienz traditioneller einschichtiger Solarzellentypen zu steigern.

Ein derart schneller Fortschritt zeigt, dass Nanodraht-Fotozellen eine vielversprechende Technologie sind. Die Erfinder haben von Anfang an darüber gesprochen. Die "Fokussierung" von Photonen durch Nanodrähte wirkt so verführerisch, dass man von einer dramatischen Effizienzsteigerung träumen kann.


Fotozelle mit stehenden Nanofasern aus Galliumarsenid. Foto: Niels Bohr Institute Nanotechnologiezentrum (Dänemark)

Im Gegensatz zu anderen Arten von Fotozellen bestehen Nanodraht-Fotozellen nicht aus festen dichten Schichten, sondern aus einem Gitter vertikaler Fasern mit einer Dicke von jeweils etwa 200 Nanometern.

Im Jahr 2013 konstruierte Peter Krogstrup vom Nanotechnologiezentrum des Niels-Bohr-Instituts (Dänemark) zusammen mit Wissenschaftlern der Polytechnischen Schule Lausanne (Schweiz) einen Prototyp einer Solarzelle ( pdf ) mit einer Fläche von 1 mm ²mit stehenden Nanofasern aus Galliumarsenid. Unter normalem Sonnenlicht wurde ein Strom entsprechend 24,6 mA pro Quadratzentimeter Oberfläche von der Fotozelle entfernt. In der Tat konzentrierten stehende Nanofasern Licht aus einem Bereich, der das 15-fache ihres Gesamtquerschnitts beträgt.

Solche phänomenalen Indikatoren werden durch die Resonanz sichtbarer Lichtwellen erklärt, deren Länge geringer ist als der Querschnitt der stehenden Faser. Angesichts stehender Fasern treten benachbarte Wellen in Resonanz ein. Das Gitter stehender Fasern als Staubsauger „saugt“ Umgebungslicht in sich hinein.

KhKnstn: , . — 100 /². , 2016 , 34,5 /².

15 . , , . , .

Wenn wir das „Betrügen“ mit Resonanz akzeptieren, sollten Nanofasern im Allgemeinen die grundlegende Shockley-Quisser-Grenze überschreiten , die 33,7% für eine Zelle mit einem pn-Übergang, 42% für eine zweischichtige Zelle, 49% für eine dreischichtige und 68% für eine hypothetische Zelle mit unendlich beträgt Anzahl der Schichten.

Rekordeffizienz verschiedener Arten von Solarzellen, 1976-2016


Bald nach den ersten Prototypen begannen andere Wissenschaftler mit Experimenten mit echten Nanodraht-Fotozellen. Die Effizienz solcher Elemente begann schnell zu wachsen.

Nun demonstrierte eine Gruppe von Forschern der Technischen Universität Eindhoven erstmals unter realen Bedingungen den Wirkungsgrad einer Nanodraht-Fotozelle von 17,8%. Dies ist nach Ansicht der Forscher weit von der Grenze entfernt. Die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit, Dick van Dam (Dick van Dam) und Inchao Tsui (Yingchao Cui), sind sich sicher, dass der Rekord schnell fallen wird. Sie sagen voraus, dass die Effizienzschwelle von 20% innerhalb von zwei Jahren überschritten wird. Die Steigerung der Effizienz ist auf die theoretische Arbeit von Physikern zurückzuführen, die eine effizientere Form und einen effizienteren Durchmesser von Nanofasern sowie deren relative Position berechnet haben. Ihre Leistung liegt genau in der Optimierung des „Waldes“ von Nanofasern, wodurch die Anzahl der Defekte verringert wurde.

Die bisherige Rekordleistung für diesen Solarzellentyp betrug 15,3%. Dieses Ergebnis wurde von Forschern der Universität Lund (Schweden) gezeigt. Es wird angenommen, dass die theoretische Wirkungsgradgrenze für eine Nanodraht-Fotozelle 46% beträgt, dh viel höher als die grundlegende Shockley-Kweisser-Grenze für herkömmliche Elemente, bei denen der Resonanzeffekt nicht beteiligt ist.

Wissenschaftler betonen, dass ein weiterer Vorteil von Nanodraht-Fotozellen ihre theoretisch niedrigen Kosten in der Massenproduktion sind, selbst im Vergleich zu jahrzehntealter Technologie zur Herstellung traditioneller Fotozellen. Ein wichtiger Vorteil ist, dass fünfmal weniger Material benötigt wird, um neue Zellen herzustellen. Es ist nicht nur billiger und energieeffizient. Je weniger Material, desto weniger Mängel und fehlerhafte Lose. Zumindest theoretisch.

Damit Nanodraht-Fotozellen kommerziell attraktiv werden, müssen sie hinsichtlich Kosten und Effizienz mit herkömmlichen Elementen verglichen werden. Dazu müssen Sie den Wirkungsgrad auf mindestens 25% bringen und den technischen Herstellungsprozess verbessern. Eine weitere Kostenreduzierung kann erreicht werden, indem von der Verwendung seltener Metalle wie Galliumarsenid und Indiumphosphid auf üblicheres Silizium umgestellt wird. Ein weiterer Weg, um die Kosten zu senken, ist die Erfindung des technologischen Verfahrens zur Herstellung von Solarzellen ohne Verwendung eines dicken Substrats.

Am 17. Oktober 2016 promovierte Dick van Dam an der Technischen Universität Eindhoven für seine Arbeiten zur Berechnung und Herstellung von Nanodraht-Fotozellen mit wiederkehrender Effizienz. Leider wird seine Doktorarbeit nicht öffentlich veröffentlicht. Bis zu einer unabhängigen Überprüfung und Veröffentlichung eines wissenschaftlichen Artikels in einer offiziellen Zeitschrift verzichtet der Autor auf die Offenlegung der technischen Details der Erfindung.

In einer Pressemitteilung der Universität wird betont, dass Dr. van Dam als Gewinner der Saison des Fernsehquiz Met het Mes op Tafel bekannt ist , das Poker und Gelehrsamkeit kombiniert.

Source: https://habr.com/ru/post/de398483/