Die glänzende Zukunft der Solarenergie

Eine detaillierte und einfache Beschreibung des Betriebs von Solarmodulen und Prognosen für die Zukunft

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Unsere jüngste Überprüfung von Sonnenkollektoren könnte den Eindruck erwecken, dass das Sammeln von Sonnenenergie eine neue Sache ist, aber die Menschen nutzen sie seit Tausenden von Jahren. Mit ihrer Hilfe heizen sie Häuser, kochen und erhitzen Wasser. Einige der frühesten Dokumente, die die Sammlung von Sonnenenergie beschreiben, stammen aus dem alten Griechenland. Sokrates selbst sagte: "In nach Süden ausgerichteten Häusern dringt die Wintersonne in die Galerie ein, und im Sommer geht der Weg der Sonne über unseren Kopf und direkt über das Dach, wodurch sich ein Schatten bildet." Er beschreibt, wie die griechische Architektur die Abhängigkeit der Sonnenwege von den Jahreszeiten nutzte.

Im 5. Jahrhundert vor Christus Die Griechen waren mit einer Energiekrise konfrontiert. Der vorherrschende Brennstoff, die Holzkohle, endete, als alle Wälder zum Kochen und Heizen von Häusern abgeholzt wurden. Es wurden Quoten für Holz und Kohle eingeführt, und Olivenhaine mussten vor den Bürgern geschützt werden. Die Griechen näherten sich der Krise und planten die Stadtentwicklung sorgfältig, um sicherzustellen, dass jedes Haus den von Sokrates beschriebenen Sonnenschein nutzen kann. Die Kombination von Technologie und aufgeklärten Regulierungsbehörden funktionierte und die Krise wurde vermieden.

Im Laufe der Zeit wuchs die Technologie zum Sammeln von Wärmeenergie der Sonne nur. Die Kolonisten Neuenglands liehen sich die Technologie des Hausbaus von den alten Griechen aus, um sich in den kalten Wintern warm zu halten. In den USA wurden Ende des 19. Jahrhunderts einfache passive Solarwarmwasserbereiter verkauft, die nicht komplizierter als schwarz lackierte Fässer waren. Seitdem wurden anspruchsvollere Solarkollektoren entwickelt, die Wasser durch Paneele pumpen, die Licht absorbieren oder fokussieren. Heißes Wasser wird in einem isolierten Tank gespeichert. In eisigen Klimazonen wird ein Zwei-Fluid-System verwendet, bei dem die Sonne eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel erwärmt, die durch eine Spirale in einem Wasserspeichertank läuft, der eine andere Rolle spielt, die Rolle eines Wärmetauschers.


Solarkollektoren auf den Dächern Zyperns

Heutzutage stehen viele hoch entwickelte kommerzielle Systeme zum Erhitzen von Wasser und Luft in einem Haus zur Verfügung. Solarkollektoren werden auf der ganzen Welt installiert, die meisten pro Kopf in Österreich, Zypern und Israel.


Dach-Sonnenkollektor in Washington DC

Die moderne Geschichte der Sonnenkollektoren beginnt 1954 mit der Entdeckung eines praktischen Weges, um Licht aus Licht zu gewinnen: Die Laboratorien von Bell entdeckten, dass Photovoltaikmaterial aus Silizium hergestellt werden kann. Diese Entdeckung wurde zur Grundlage der heutigen Sonnenkollektoren (Geräte, die Licht in Elektrizität umwandeln) und leitete eine neue Ära der Sonnenenergie ein. Durch intensive Forschung geht die gegenwärtige Ära der Sonnenenergie weiter und die Sonne will in Zukunft die Hauptenergiequelle werden.

Was ist eine Solarzelle?

Der gebräuchlichste Solarzellentyp ist eine Siliziumhalbleitervorrichtung, ein entfernter Verwandter einer Festkörperdiode. Sonnenkollektoren bestehen aus einer Reihe von Solarzellen, die miteinander verbunden sind und einen Ausgangsstrom mit der gewünschten Spannung und Kraft erzeugen. Die Elemente sind von einer Schutzhülle umgeben und mit Fensterglas abgedeckt.

Solarzellen erzeugen Strom aufgrund des Photovoltaikeffekts, der in den Labors von Bell überhaupt nicht entdeckt wurde. Es wurde erstmals 1839 vom französischen Physiker Alexander Edmond Becquerel, dem Sohn des Physikers Antoine Cesar Becquerel und dem Vater des Physikers Antoine Henri Becquerel, entdeckt, der den Nobelpreis erhielt und Radioaktivität entdeckte. Etwas mehr als hundert Jahre später gelang in Bellas Labor ein Durchbruch bei der Herstellung von Solarzellen, der zur Grundlage für die Herstellung des häufigsten Solarzellentyps wurde.

In der Sprache der Festkörperphysik wird eine Solarzelle auf der Basis eines pn-Übergangs in einem Siliziumkristall erzeugt. Der Übergang wird durch Hinzufügen kleiner Mengen verschiedener Defekte zu verschiedenen Bereichen des Kristalls erzeugt; Die Schnittstelle zwischen diesen Bereichen wird der Übergang sein. Auf der n-Seite führen Elektronen den Strom und auf der p-Seite Löcher, in denen keine Elektronen vorhanden sind. In Regionen neben der Grenzfläche erzeugt die Ladungsdiffusion ein internes Potential. Wenn ein Photon mit ausreichender Energie in den Kristall gelangt, kann es ein Elektron aus einem Atom herausschlagen und ein neues Elektron-Loch-Paar erzeugen.



Ein neu freigesetztes Elektron wird von Löchern auf der anderen Seite des Übergangs angezogen, kann es jedoch aufgrund seines internen Potentials nicht durchqueren. Wenn die Elektronen jedoch einen Weg durch einen externen Stromkreis erhalten, gehen sie diesen entlang und beleuchten unsere Häuser entlang des Weges. Sie erreichen die andere Seite und verbinden sich mit Löchern. Dieser Prozess wird fortgesetzt, während die Sonne scheint.

Die zur Freisetzung eines gebundenen Elektrons erforderliche Energie wird als Bandlücke bezeichnet. Dies ist der Schlüssel zum Verständnis, warum Photovoltaikzellen eine inhärente Effizienzbeschränkung aufweisen. Die Bandlücke ist eine konstante Eigenschaft des Kristalls und seiner Verunreinigungen. Verunreinigungen werden so reguliert, dass die Bandlücke einer Solarzelle nahe an der Photonenenergie aus dem sichtbaren Spektrum liegt. Eine solche Wahl wird durch praktische Überlegungen bestimmt, da sichtbares Licht nicht von der Atmosphäre absorbiert wird (mit anderen Worten, als Ergebnis der Evolution haben Menschen die Fähigkeit erworben, Licht mit den häufigsten Wellenlängen zu sehen).

Die Photonenenergie wird quantisiert. Ein Photon mit einer Energie, die kleiner als die Bandlücke ist (zum Beispiel aus dem infraroten Teil des Spektrums), kann keinen Ladungsträger erzeugen. Es heizt nur das Panel auf. Zwei Infrarotphotonen funktionieren auch dann nicht, wenn ihre Gesamtenergie ausreicht. Ein Photon mit übermäßig hoher Energie (zum Beispiel aus dem ultravioletten Bereich) wird ein Elektron ausschalten, aber überschüssige Energie wird verschwendet.

Da der Wirkungsgrad definiert ist als die Energiemenge des auf das Panel einfallenden Lichts geteilt durch die empfangene Strommenge - und da ein erheblicher Teil dieser Energie verloren geht - kann der Wirkungsgrad nicht 100% erreichen.

Die Bandlücke einer Siliziumsolarzelle beträgt 1,1 eV. Wie aus dem Diagramm des elektromagnetischen Spektrums ersichtlich ist, liegt das sichtbare Spektrum im Bereich etwas höher, sodass jedes sichtbare Licht uns Elektrizität gibt. Dies bedeutet aber auch, dass ein Teil der Energie jedes absorbierten Photons verloren geht und in Wärme umgewandelt wird.



Als Ergebnis stellt sich heraus, dass selbst mit einem idealen Solarpanel, das unter einwandfreien Bedingungen hergestellt wird, der theoretische maximale Wirkungsgrad etwa 33% beträgt. Bei handelsüblichen Platten beträgt der Wirkungsgrad üblicherweise 20%.

Perowskiten

Die meisten kommerziell installierten Solarmodule werden aus den oben beschriebenen Siliziumzellen hergestellt. Aber Labore auf der ganzen Welt erforschen andere Materialien und Technologien.

Eines der vielversprechendsten Gebiete der letzten Zeit ist die Untersuchung von Materialien, die Perowskite genannt werden. Das Perowskitmineral CaTiO ₃ wurde 1839 zu Ehren des russischen Staatsmannes Graf L. A. Perovsky (1792-1856) benannt , der Mineralien sammelte . Das Mineral kann auf jedem Kontinent der Erde und in den Wolken mindestens eines Exoplaneten gefunden werden. Perowskite werden auch als synthetische Materialien bezeichnet, die dieselbe rhombische Kristallstruktur wie der natürliche Perowskit aufweisen und eine ähnliche chemische Struktur aufweisen.



In Abhängigkeit von den Elementen weisen Perowskite verschiedene nützliche Eigenschaften auf, wie Supraleitung, Riesenmagnetowiderstand und photovoltaische Eigenschaften. Ihr Einsatz in Solarzellen sorgte für viel Optimismus, da ihre Wirksamkeit in der Laborforschung in den letzten 7 Jahren von 3,8% auf 20,1% gestiegen ist. Schnelle Fortschritte schaffen Vertrauen in die Zukunft, zumal die Grenzen der Effizienz immer deutlicher werden.

In jüngsten Experimenten in Los Alamos wurde gezeigt, dass Solarzellen aus bestimmten Perowskiten einen ähnlichen Wirkungsgrad wie Silizium aufweisen und gleichzeitig billiger und einfacher herzustellen sind. Das Geheimnis der Attraktivität von Perowskiten ist die Fähigkeit, schnell und einfach millimetergroße Kristalle ohne Defekte auf einem dünnen Film zu züchten. Dies ist eine sehr große Größe für ein ideales Kristallgitter, das es dem Elektron wiederum ermöglicht, sich störungsfrei durch den Kristall zu bewegen. Diese Qualität kompensiert teilweise die unvollständige Bandlücke von 1,4 eV, verglichen mit einem nahezu idealen Wert für Silizium von 1,1 eV.

Die meisten Studien zur Steigerung der Effizienz von Perowskiten beziehen sich auf die Suche nach Möglichkeiten zur Beseitigung von Defekten in Kristallen. Das ultimative Ziel ist es, eine ganze Schicht für ein Element aus einem idealen Kristallgitter herzustellen. Forscher am MIT haben kürzlich große Fortschritte in diesem Bereich erzielt. Sie entdeckten, wie man Defekte in einem Film aus einem bestimmten Perowskit durch Bestrahlung mit Licht "heilt". Dieses Verfahren ist aufgrund des fehlenden Kontakts mit dem Film viel besser als frühere Verfahren, einschließlich chemischer Bäder oder elektrischer Ströme.

Ob Perowskite zu einer Revolution der Kosten oder der Wirksamkeit von Solarmodulen führen werden, ist noch nicht klar. Sie herzustellen ist einfach, aber bisher lösen sie sich zu schnell auf.

Viele Forscher versuchen, das Problem des Verfalls zu lösen. Eine gemeinsame Studie von Chinesen und Schweizern führte zu einer neuen Methode zur Bildung einer Zelle aus Perowskit, bei der keine Lochbewegungen mehr erforderlich sind. Da sich die Lochleitungsschicht verschlechtert, sollte das Material viel stabiler sein.


Perowskit-Solarzellen auf Zinnbasis

Ein kürzlich veröffentlichter Bericht aus Berkeleys Labor beschreibt, wie Perowskite eines Tages eine theoretische Effizienzgrenze von 31% erreichen und dennoch billiger in der Herstellung als Silizium bleiben können. Die Forscher haben die Umwandlungseffizienz verschiedener körniger Oberflächen mithilfe der Atommikroskopie gemessen, mit der die Photoleitfähigkeit gemessen wird. Sie fanden heraus, dass verschiedene Gesichter sehr unterschiedliche Wirkungsgrade haben. Jetzt glauben Forscher, dass sie einen Weg finden können, einen Film herzustellen, auf dem nur die effektivsten Flächen mit den Elektroden verbunden werden. Dies kann dazu führen, dass die Zelle einen Wirkungsgrad von 31% erreicht. Wenn es funktioniert, wird es ein revolutionärer technologischer Durchbruch sein.

Andere Forschungsbereiche

Es ist möglich, mehrschichtige Platten herzustellen, da die Bandlücke durch Ändern von Additiven eingestellt werden kann. Jede Schicht kann auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt werden. Solche Zellen können theoretisch einen Wirkungsgrad von 40% erreichen, bleiben aber bisher teuer. Infolgedessen sind sie auf dem NASA-Satelliten leichter zu finden als auf dem Dach des Hauses.

In einer Studie von Wissenschaftlern aus Oxford und dem Institut für Silizium-Photovoltaik in Berlin wurde Mehrschichtigkeit mit Perowskiten kombiniert. Das Team arbeitete an dem Problem der Abbaubarkeit des Materials und eröffnete die Möglichkeit, Perowskit mit einer einstellbaren Bandlücke herzustellen. Es gelang ihnen, eine Version der Zelle mit einer Bandbreite von 1,74 eV herzustellen, was fast ideal für die Herstellung in Kombination mit einer Siliziumschicht ist. Dies kann zur Schaffung kostengünstiger Zellen mit einem Wirkungsgrad von 30% führen.

Eine Gruppe der Universität Notre Dame entwickelte eine Photovoltaikfarbe aus Halbleiternanopartikeln. Dieses Material ist noch nicht so effektiv, dass es Sonnenkollektoren ersetzt, aber es ist einfacher herzustellen. Zu den Vorteilen gehört die Möglichkeit, auf verschiedenen Oberflächen aufzutragen. Möglicherweise ist es einfacher zu verwenden als starre Paneele, die auf dem Dach montiert werden müssen.

Vor einigen Jahren machte ein Team vom MIT Fortschritte bei der Herstellung von Solarthermie. Ein solcher Stoff kann Sonnenenergie für lange Zeit in sich speichern und bei Bedarf mit einem Katalysator oder einer Heizung abgeben. Kraftstoff erreicht dies durch eine nicht reaktive Umwandlung seiner Moleküle. In Reaktion auf Sonnenstrahlung werden Moleküle in Photoisomere umgewandelt: Die chemische Formel ist dieselbe, aber die Form ändert sich. Sonnenenergie wird als zusätzliche Energie in den intermolekularen Bindungen des Isomers gespeichert, die als Zustand höherer Energie des ursprünglichen Moleküls dargestellt werden können. Nach dem Start der Reaktion kehren die Moleküle in ihren ursprünglichen Zustand zurück und wandeln die gespeicherte Energie in Wärme um. Wärme kann direkt genutzt oder in Strom umgewandelt werden. Diese Idee macht möglicherweise Batterien überflüssig. Kraftstoff kann transportiert werden und die an anderer Stelle gewonnene Energie nutzen.

Nach der Veröffentlichung der Arbeit des MIT, in der Fulvalen- Diruthenium verwendet wurde , versuchen einige Laboratorien, Probleme mit der Herstellung und den Materialkosten zu lösen und ein System zu entwickeln, bei dem der Kraftstoff im geladenen Zustand stabil genug ist und sich "aufladen" kann, damit er wiederholt verwendet werden kann. Noch vor zwei Jahren haben dieselben MIT-Wissenschaftler Solarkraftstoffe entwickelt, mit denen mindestens 2.000 Lade- / Entladezyklen ohne offensichtliche Leistungseinbußen getestet werden können.

Die Innovation bestand darin, Kraftstoff (es war Azobenzol) mit Kohlenstoffnanoröhren zu kombinieren. Infolgedessen reihten sich seine Moleküle auf eine bestimmte Weise aneinander. Der resultierende Kraftstoff hatte einen Wirkungsgrad von 14% und eine Energiedichte ähnlich der einer Blei-Säure-Batterie.


Nanopartikel aus Kupfer-Zink-Zinnsulfid

In neueren Arbeiten wurde Solarkraftstoff in Form von transparenten Folien hergestellt, die auf die Windschutzscheibe eines Autos gepickt werden können. Nachts schmelzen die Filme das Eis aufgrund der tagsüber gewonnenen Energie. Die Geschwindigkeit des Fortschritts in diesem Bereich lässt keinen Zweifel daran, dass solarthermischer Brennstoff bald von Laboratorien auf das Gebiet bekannter Technologien übertragen wird.

Eine andere Möglichkeit, Kraftstoff direkt aus Sonnenlicht zu erzeugen (künstliche Photosynthese), wird von Forschern der University of Illinois in Chicago entwickelt. Ihre „künstlichen Blätter“ verwenden Sonnenlicht, um atmosphärisches Kohlendioxid in „Synthesegas“ umzuwandeln, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Synthesegas kann verbrannt oder in konventionellere Brennstoffe umgewandelt werden. Das Verfahren hilft, überschüssiges CO ₂ aus der Atmosphäre zu entfernen.

Das Stanford-Team erstellte einen Prototyp einer Solarzelle aus Kohlenstoffnanoröhren und Fullerenen anstelle von Silizium. Ihre Wirksamkeit ist viel geringer als bei handelsüblichen Paneelen, aber nur Kohlenstoff wird verwendet, um sie herzustellen. Der Prototyp enthält keine giftigen Stoffe. Es ist eine umweltfreundlichere Alternative zu Silizium, muss jedoch an der Effizienz arbeiten, um wirtschaftliche Vorteile zu erzielen.

Die Forschung an anderen Materialien und Produktionstechnologien wird fortgesetzt. Ein vielversprechendes Forschungsgebiet sind Monoschichten, Materialien mit einer einzigen molekulardicken Schicht (wie Graphen). Obwohl der absolute photovoltaische Wirkungsgrad solcher Materialien gering ist, übersteigt ihr Wirkungsgrad pro Masseneinheit die üblichen Siliziumplatten um das Tausendfache.

Andere Forscher versuchen, Solarzellen mit einer mittleren Reichweite herzustellen. Die Idee ist, ein Material mit einer Nanostruktur oder einer speziellen Legierung zu schaffen, in der Photonen mit Energie arbeiten können, die nicht ausreicht, um die übliche Bandlücke zu überwinden. In einem solchen Material kann ein Paar energiearmer Photonen ein Elektron ausschalten, was mit herkömmlichen Festkörpervorrichtungen nicht erreicht werden kann. Potenziell sind solche Geräte effizienter, da sie einen größeren Wellenlängenbereich verwenden.

Die Vielfalt der Forschungsbereiche von Photovoltaik-Elementen und -Materialien und der rasche stetige Fortschritt seit der Erfindung des Siliziumelements im Jahr 1954 wecken das Vertrauen, dass die Begeisterung für die Akzeptanz von Solarenergie nicht nur anhalten, sondern zunehmen wird.

Und diese Studien finden gerade noch rechtzeitig statt. In einer kürzlich durchgeführten Metastudie wurde gezeigt, dass Solarenergie Öl und Gas hinsichtlich des Verhältnisses von empfangener Energie zu verbrauchter Energie oder der Energieeffizienz überholte. Dies ist ein bedeutender Wendepunkt.

Es besteht kaum ein Zweifel daran, dass Solarenergie infolgedessen sowohl in der Industrie als auch im privaten Sektor zu einer bedeutenden, wenn nicht sogar dominanten Energieform wird. Es ist zu hoffen, dass der Bedarf an brennenden fossilen Brennstoffen verringert wird, bevor es zu einem irreversiblen globalen Klimawandel kommt.