Wissenschaftler bauen hocheffiziente transparente Solarzellen

• Forscher entwickeln energieeffiziente transparente Solarzellen aus Silizium-Mikrodraht-Verbundwerkstoffen.
• Zusätzlich zum absorbierten Sonnenlicht nutzen diese Solarzellen auch reflektierte Strahlen zur Energieerzeugung.

In den letzten Jahren wurden die Schleusen der Forschung zu transparenten Solarzellen von Wissenschaftlern geöffnet, die glauben, dass Solarenergie die Anforderungen der Gesellschaft erfüllen kann und das nächste große Ding sein könnte.

Bei diesem interessanten Phänomen der Photovoltaik gibt es einen unvermeidlichen Kompromiss zwischen Lichteintritt (sichtbare Transparenz) und Energieerzeugung (Photovoltaik-Umwandlungswirkungsgrad).

Bisher haben wir verschiedene getönte transparente Solarzellen mit geringer Energieeffizienz und bescheidenen Transparenzen gesehen. Sie sind nicht für den Einsatz in elektronischen Geräten, Autofenstern und gebäudeintegrierten Photovoltaikfenstern geeignet.

Jetzt haben Forscher des Ulsan National Institute of Science and Technology in Südkorea energieeffiziente transparente Solarzellen aus Silizium-Mikrodraht-Verbundwerkstoffen entwickelt. Sie haben zylindrische Silikonstäbe in ein flexibles, transparentes Polymermaterial eingebettet.

Wie unterscheidet sie sich von anderen transparenten Solarzellen?

Im Gegensatz zu bestehenden transparenten Solarzellen, die hauptsächlich auf Farbstoffen, organischen Stoffen und Perowskiten basieren, basieren die neuen flexiblen, farbneutralen Solarzellen auf dem Muster von n-Silizium-Mikrodrähten.

Das als tiefreaktives Ionenätzen bezeichnete Verfahren wird verwendet, um diese Mikrodrähte mit kontrollierbarem Abstand herzustellen. Anschließend werden sie in eine flexible transparente Polymermatrix eingebettet.

Referenz:Licht:Wissenschaft &Anwendungen Band | DOI:10.1038/s41377-019-0234-y | UNIST

Es ist so konzipiert, dass reflektiertes Sonnenlicht von den Siliziumstäben kontrolliert werden kann, um die Effizienz zu erhöhen. Genauer gesagt kann die Lichtdurchlässigkeit von 10 bis 55 Prozent eingestellt werden, indem der Abstand zwischen den Mikrodrähten geändert wird.

Wie funktioniert es?

Jeder Siliziumstab dieser Solarzelle fungiert als photoaktive Schicht:Er absorbiert Sonnenlicht und erzeugt Strom. Forscher haben die Stäbchen in bestimmten Abständen so angeordnet, dass sie mit bloßem Auge nicht zu sehen sind. Daher behalten Solarzellen sowohl die flexiblen als auch die transparenten Eigenschaften des Substrats selbst bei.

Der Herstellungsprozess der neuen transparenten Solarzelle | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher 

Um die Lichtabsorptionsfähigkeit zu erhöhen, ohne die Transparenz zu beeinträchtigen, haben die Forscher die Form der Spitze der Silizium-Mikrodrähte drastisch verändert. Während bei herkömmlichen Solarzellen Absorption, Transmission und Reflexion von Licht auftreten, nutzen sie das reflektierte Licht nicht aus.

Die neue Struktur hingegen absorbiert das reflektierte Licht zurück in die Solarzelle:Sonnenlicht, das von der Oberseite des Siliziumstabs reflektiert wird, wird von dem daneben liegenden Stab absorbiert.

Die transparenten Solarzellen auf Basis der Schrägspitzen-Mikrodrähte haben einen Wirkungsgrad von 8 % bei einer sichtbaren Transparenz von 10 % gezeigt. Dies ist der höchste Wirkungsgrad, der unter transparenten Solarzellen auf Siliziumbasis erreicht wird. Sie können ihre anfängliche Effizienz auch nach Dutzenden von Biegetests beibehalten.

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Und im Gegensatz zu anderen farbneutralen transparenten Solarzellen, die auf starren Glassubstraten hergestellt werden, könnten diese flexiblen Solarzellen verschiedene praktische Anwendungen haben, von mobilen und tragbaren Geräten bis hin zur gebäudeintegrierten Stromerzeugung.