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| Neuer Wirkungsgradrekord bei flexiblen Solarzellen |
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Einen neuen Wirkungsgradrekord von knapp 21,4 % für CIGS-Solarzellen auf flexibler Polymerfolie haben Wissenschaftler der Empa erzielt. Solarzellen dieses Typs eignen sich besonders für Anwendungen auf Dächern, Transportfahrzeugen und mobilen Geräten.
Eine Forschergruppe der Empa hat den Wirkungsgrad von flexiblen Solarzellen auf einen neuen Rekordwert angehoben. Unabhängige Messungen ergaben einen Wert von 21,4 %, wenn diese Art von Solarzellen Licht in elektrischen Strom umwandeln. Zum Vergleich: Der beste Wirkungsgrad einer herkömmlichen (nicht biegsamen) Solarzelle aus kristallinem Silcium liegt bei 26,7 %.
Die Details der Forschungsleistung stellt Romain Carron, Gruppenleiter im Empa-Labor für Dünnschichten und Photovoltaik unter Leitung von Ayodhya N. Tiwari, am 7. September 2021 auf der «38th European Photovoltaic Solar Energy and Conference and Exhibition (EU PVSEC)» vor, die virtuell stattfindet.
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Hocheffiziente flexible Solarzellen werden mittels einer Niedrigtemperatur-Verdampfungsmethode auf einer Polymerfolie hergestellt. Auf der Folie scheidet sich das lichtabsorbierende Halbleitermaterial Cu(In,Ga)Se2 als hauchdünner Film langsam ab. Der Empa-Forscher Shiro Nishiwaki optimierte die Zusammensetzung der Schicht und der Alkali-Dotierstoffe, um den Wirkungsgrad (weiter) zu erhöhen. Die Forscher untersuchten die Auswirkungen einer kombinierten Wärme- und Lichteinwirkung nach der Verarbeitung der Solarzellen und stellten eine Steigerung der Photovoltaikleistung fest, die auch nach mehreren Monaten stabil bleibt. Der Wirkungsgrad der Solarzellen von 21,38 % wurde von unabhängiger Seite am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg bestätigt.
Immer neue Rekorde - seit mehr als 20 Jahren
Tiwari und sein Team forschen seit mehr als 20 Jahren an flexiblen Dünnschichtsolarzellen. Mit ihrem profunden Wissen über die Technologie und die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse haben sie im Laufe der Jahre mehrere Wirkungsgradrekorde erzielt. Sie begannen mit 12,8 % im Jahr 1999, erreichten 14,1 % (2005), 17,6 % (2010), 18,7 % (2011), 20,4% (2013) und 20,8 % im Jahr 2019.
Flexible und leichte Solarmodule mit dieser Technologie eignen sich besonders für Anwendungen auf Dächern und Fassaden von Gebäuden, für Gewächshäuser, Transportfahrzeuge, Luftschiffe und tragbare Elektronik. Die Empa arbeitet mit der Schweizer Firma Flisom, eine Spin-off der Empa und der ETH Zürich, an der Rolle-zu-Rolle-Herstellung von leichten, flexiblen Solarmodulen für derartige Anwendungen. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden vom Schweizer Bundesamt für Energie (BFE) unterstützt.
Transparente Elektroden mit deutlich verbesserter Leistung
Kürzlich zog das Projektteam Halbzeitbilanz; wichtige Teilziele sind bereits erreicht. Das internationale Team, das Forscher aus 19 Labors und Unternehmen in fünf europäischen Ländern vereint, hat etwa ultradünne, transparente Silber-Verbundelektroden entwickelt, die nicht nur günstiger sind als die derzeit verwendeten Indium-Zinnoxid-Elektroden (ITO), sondern die auch eine höhere Leistung erzielen. Damit konnten die Wissenschaftler in einer Perovskit-basierten Solarzelle eine Rekordeffizienz von sieben Prozent nachweisen. Zudem erreichten die ersten gänzlich im R2R-Verfahren (Roll-to-Roll-Verfahren) produzierten Solarzellen bei Feldversuchen eine Lebensdauer, die kommerziellen Ansprüchen genügt. Der nächste Schritt sei nun, so Nüesch, die Hochskalierung und Verbesserung jener Technologien, die bislang das grösste Potenzial aufweisen, um so Sperrmaterialien und transparente Elektroden in grossen Mengen, sprich auf Rollen von mehreren Hundert Metern Länge, herzustellen.
In der zweiten Hälfte des Projekts sollen ausserdem andere vielversprechende Technologien weiterentwickelt werden. Dazu gehören transparente, biegsame Elektroden aus Textilien, Nanodrähten und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT). «Wir arbeiten an den zentralen Fragestellungen für den grossflächigen Einsatz von organischen optoelektronischen Bauelementen. Unsere neuen kostengünstigen Elektrodensubstrate sind den bisherigen leitfähigen Oxidelektroden bereits in vielerlei Hinsicht überlegen», betont Nüesch. «Aber wir müssen die Leistung der damit im Grossmassstab hergestellten Bauteile noch weiter verbessern, indem wir die Fehlerdichte in den Substraten reduzieren.»
Dazu wurden die neuen Materialien ausgiebig mit speziell entwickelten Instrumenten auf ihre mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften untersucht.
| Quelle: Text
Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa, 7. September 2021 |
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| Halbleiter |
| Halbleiter sind chemische Elemente und chemische Verbindungen,welche hohe elektrische Widerstände besitzen. Die Grösse ihrer elektrischen Widerstände nimmt im Allgemeinen mit abnehmender Temperatur zu. Bei tiefen Temperaturen wirken die Halbleiter wie Isolatoren. Bei Zimmertemperatur liegt die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter zwischen derjenigen von Metallen und jenen von Isolatoren.
Die charakteristische Eigenschaft der Halbleiter liegt vor allem darin, dass ihre Ladungsträger erst durch Zuführung von thermischer Energie (Wärme) oder optischer Energie (Licht) aktiviert werden. Metalle zeigen dieses Verhalten nicht.
Bei den Elektronenhalbleitern erfolgt der Ladungstransport durch Elektronen. Sie liegen im Periodensystem der chemischen Elemente zwischen der II.- und der VI.-Gruppe. Vertreter dieser Grupen sind u.a. die chemischen Elemente Aluminium, Kupfer, Zinn, Selen, Silber Indium, Silicium, Gallium, Germanium. |
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