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Samhain · Top-User **** Beiträge: 110

Hab mal zu eurer Diskusion im Netz ein wenig geschnüffelt und folgendes gefunden.

50% Wirkungsgrad bei Solarzellen?
Wolf-Dieter Roth 29.05.2006

Zwei oder mehr Elektronen pro Photon: Nanotechnik soll effizientere Solarzellen in Molekülgröße erzeugen
Alle anderen grünen Energien, ob Biomasse, Wind- oder Wasserkraft, und die fossilen Energien ohnehin, sind umgewandelte Sonnenenergie. Es wäre deshalb nur logisch, die Sonnenenergie über den photoelektrischen Effekt möglichst direkt zu nutzen. Doch bislang lagen die Wirkungsgrade von bezahlbarer Technik unter 10% und die Solarzellen waren dennoch teuer. Nanotechnik soll dies ändern.

Alle heutigen Solarzellen – die Hightech-Variante in Satelliten und Raumsonden ebenso wie die einfachsten Modelle in Taschenrechnern – liefern maximal ein angeregtes Elektron pro eingefangenem Photon. Der Physiker Victor Klimov, der in Los Alamos arbeitet, dem ehemaligen Atombombenlaboratorium, in dem heute neben der nach wie vor aktuellen Atombombenbastelei (US-Regierung plant die Herstellung neuer Atomwaffen) auch alles mögliche Andere erforscht wird (Die Atomwüste von Los Alamos, Umweltfreundlicher knallen), will durch Miniaturisierung der Solarzellen auf wenige Nanometer – was durch die Chipherstellung mittlerweile durchaus realisierbare Technik ist – die Effizienz auf mindestens zwei, theoretisch aber sogar bis zu sieben Elektronen pro eintreffendem Photon erhöhen, wie der New Scientist in seiner aktuellen Ausgabe berichtet.

Dies klingt zunächst unglaublich, konnte aber von einer zweiten Forschergruppe am National Renewable Energy Laboratory (NREL) bestätigt werden. Sollte die praktische Umsetzung in Großserien gelingen, könnte dies die gesamte heutige Energiedebatte hinfällig werden lassen, weil damit Solarstrom preislich konkurrenzfähig würde. Während heute versucht wird, die Sonnenstrahlen über Spiegel zu bündeln oder die Beweglichkeit der Elektronen innerhalb der Solarzellen zu erhöhen, würde diese Verbesserung tatsächlich die Effizienz der photoelektrischen Stromerzeugung deutlich erhöhen und die anderen möglichen Verbesserungen ergänzen. Damit kämen die Solarzellen aus ihrem bisherigen Nischendasein für geringen Strombedarf oder weit abgelegene Verbraucher heraus und könnten zum Standard werden.

1982 entdeckte der Materialwissenschaftler Alexander Efros am Naval Research Laboratory in Washington DC die theoretische Möglichkeit, dass ein Photon mehrere Ladungsträger freisetzen konnte. Doch zwei Jahrzehnte stetiger Verbesserungen an den sogenannten Halbleiter-Nanokristallen oder auch Quantum Dots waren notwendig, bis 2002 der physikalische Chemiker Arthur Nozik vom NREL voraussagte, dass die Nanokristalle für diese Zwecke gegenüber massiven Halbleitern im Vorteil sind. Doch dann dauerte es noch bis 2004, bis Klimovs Gruppe, die neben Fotozellen auch Laser entwickelte, nachwies (Physical Review Letters, vol 92, p 186601), dass derartiges Verhalten reproduzierbar nachweisbar war.

Problem: Heutige Solarzellen "empfangen" nur auf einer Wellenlänge

Der Schwachpunkt bisheriger Solarzellen liegt in der Physik begründet: Ihr Prinzip beruht darauf, dass ein eintreffendes Photon den sogenannten Bandabstand überwindet, den Energieabstand im Halbleiter zwischen einem im Kristall fixierten und einem frei beweglichen Elektron. Bei Silizium entspricht diese elektromagnetischer Strahlung im nahen Infrarot. Dies bedeutet, dass alle längerwelligen, niederenergetischen Anteile des Sonnenlichts auf die Fotozelle keinerlei Auswirkung haben, außer sie zu erwärmen. Ein Lichtstrahl der genau richtigen Wellenlänge löst ein Elektron aus und wird daher mit optimalem Wirkungsgrad in Strom umgesetzt.

Kürzerwellige Strahlung, also das gesamte sichtbare Lichtspektrum, ultraviolette Strahlung usw., erzeugen aber ebenfalls nur einen Ladungsträger, der die Energie des Bandabstands erhält. Der höhere Energieinhalt des sichtbaren Lichts kann somit nicht ausgenutzt werden und führt erneut nur zur Erwärmung der Solarzellen. In Nanostrukturen verändert sich die Physik jedoch und in vier bis acht Nanometern großen halbleitenden Bleiselenid-Nanokristallen entstehen bis zu sieben statt nur einem energiegeladenen Ladungsträger pro eintreffendem Photon (Nano Letters, vol 6, p 424).

Problem: Mehrfach-Ladungsträger leben nur sehr kurz

Wie diese Mechanismen funktionieren, ist noch nicht genau klar – ob tatsächlich mehrere Elektronen gleichzeitig angeregt werden oder ob ein Elektron stärker angeregt wird, das dann seine Energie an mehrere andere Elektronen verteilt. Ein Problem bei der praktischen Umsetzung ist jedoch, dass diese multiplen Ladungsträger-Aktivierungen nur im Picosekundenbereich stattfinden, bevor die Elektroden mit ihren Fehlstellen im Kristall rekombinieren. Bei normalen Solarzellen liegt diese Rekombinationszeit immerhin im Mikrosekundenbereich, also um den Faktor einer Million höher. Der Weg von der Theorie zur Praxis dürfte etwa genauso schwierig sein wie bei der Kernfusion, so Paul Alivisatos, ein Chemiker an der University of California, Berkeley.

Ein möglicher Weg könnte es sein, die Halbleiter mit Polymeren (Kunststoffen) zu mischen. Eine andere Möglichkeit könnten Nanodrähte seien. Und auch das Halbleitermaterial ist überdenkenswert: Bleiselenid ist nicht nur sehr giftig, sondern auch erst für energiereiche, kurzwellige Photonen geeignet. Hier wäre jedoch gerade ein Halbleiter nützlich, der bereits bei langwelliger Strahlung anspricht. Mögliche Kandidaten wären Bleisulfid, Bleitellurid und Cadmiumselenid. Allerdings senkt dies wiederum die Spannung der Solarzellen.

Der bisherige Weltrekord für den Wirkungsgrad einer Solarzelle liegt bei 24,7% und wurde an der University of New South Wales in Australien erzielt. Mit der neuen Technik sollen sich 45 bis 50% Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Sonnenlicht in Strom erreichen lassen.

Samhain

Bei manchem ist ein Hirnschlag ein Schlag ins Leere.

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