Professor Hanington spricht über die Wissenschaft: Rekord-Wirkungsgrad von 19,3 % mit Kunststoff-Solarzellen

Während sich unsere Energiequellen von fossilen Brennstoffen hin zu umweltfreundlicheren verlagern, wächst die Suche nach kostengünstigen Solarzellen, die ein Haus mit Strom versorgen oder ein Elektrofahrzeug aufladen können (oder Strom in eine Art Netz einspeisen, wo man ihn später finanziell zurückgewinnen kann). es) geht mit zunehmender Leidenschaft weiter.

Erst diese Woche wurde ein großer Sprung in der Energieeffizienz für organische Solarzellen angekündigt. Wie in Nature Communications veröffentlicht, hat ein Team unter der Leitung von Professor Li Gang von der Hong Kong Polytechnic University eine Methode zur Herstellung einer Polymersolarzelle angekündigt, die einen Wirkungsgrad von fast 20 % aufweist. Dies tritt in die Fußstapfen der bisher besten realen Siliziumsolarzelle, der von der Kaneka Corporation entwickelten, die einen aufgezeichneten Umwandlungswirkungsgrad von 26,7 % aufweist. Diese besteht aus einer speziellen Einkristallanordnung und ist in der Herstellung sehr kostspielig, im Gegensatz zum Polymertyp, der einfach durch Aufrakeln von Material auf ein geeignetes Substrat hergestellt werden kann. Das war im Jahr 2016 und hält immer noch den Rekord.

Um zu verstehen, wie das Hongkonger Team eine solche Leistung vollbringen konnte, müssen wir ein wenig zurückblicken und kurz die Konzepte zur Umwandlung von Sonnenlicht in Energie durchgehen. Obwohl der erste Nachweis des photovoltaischen Effekts durch Edmond Becquerel im Jahr 1839 eine elektrochemische Zelle nutzte, ist die Art, mit der wir wahrscheinlich am besten vertraut sind, eine Siliziumzelle, der Standard für wiederaufladbare Gartenleuchten und Taschenrechner. Dabei handelt es sich allesamt um Siliziumgeräte, da die Technologie dieses Elements bekannt und über siebzig Jahre alt ist.

Die Siliziumsolarzelle besteht im Inneren aus zwei Schichten, von denen eine als P-Typ und die andere als N-Typ bezeichnet wird. Das Silizium vom P-Typ wird durch die Zugabe von Atomen – wie Bor oder Gallium – hergestellt, die in ihrem äußeren Energieniveau ein Elektron weniger haben als Silizium. Da Bor ein Elektron weniger hat, als zur Bildung der Bindungen mit den umgebenden Siliziumatomen erforderlich ist, entsteht eine Elektronenlücke oder ein „Loch“.

Das Silizium vom n-Typ wird durch die Einbeziehung von Atomen hergestellt, die in ihrer äußeren Ebene ein Elektron mehr haben als Silizium, wie beispielsweise Phosphor. Phosphor hat in seinem äußeren Energieniveau fünf Elektronen, nicht vier. Obwohl Silizium über vier Elektronen verfügt, geht es in der Kristallstruktur leicht Bindungen mit Bor oder Phosphor ein. Da Phosphor jedoch über dieses zusätzliche Elektron verfügt, ist der Kristall dort leicht negativ geladen, da dieses Elektron nicht an der Bindung beteiligt ist und sich stattdessen frei innerhalb der Siliziumstruktur bewegen kann. Es wird zum Ladungsträger. Ebenso im bordotierten Bereich. Das dort gebildete „Loch“ – eigentlich eine fehlende Bindung – kann auch als Ladungsträger fungieren, da sich die fehlende Bindung bewegen und als positive Einheit fungieren kann. Wenn eine N-Region neben einer P-Region platziert wird, finden einige dieser zusätzlichen Elektronen und Löcher wieder zueinander und es entsteht eine Verarmungsregion, die frei von diesen mobilen Ladungen ist.

Aber hier ist das Interessante an dieser Verarmungszone im Niemandsland: Da die Bor- und Phosphoratome an Ort und Stelle bleiben, enthält die N-Typ-Seite der Verarmungszone jetzt positiv geladene Ionen (von den Phosphoratomen) und die P-Seite jetzt enthält negativ geladene Ionen (von den Boratomen), wodurch ein internes elektrisches Feld entsteht, das eine weitere Vermischung der Elektronen und Löcher verhindert. Wenn jedoch Sonnenlicht auf den PN-Übergang trifft, werden Elektronen im Silizium ausgestoßen und bilden „Löcher“. Wenn dies im elektrischen Feld des Verarmungsbereichs geschieht, bewegt das Feld Elektronen zur n-Typ-Schicht und Löcher zur p-Typ-Schicht.

Wenn Sie die äußeren Bereiche der n-Typ- und p-Typ-Schichten mit einem Metalldraht verbinden, bewegen sich Elektronen und erzeugen einen Stromfluss. Eine typische Siliziumkristallzelle erzeugt bei hellem Sonnenlicht etwa 0,6 Volt und kann 1 Ampere Strom für eine Zelle mit der Fläche eines typischen Mobiltelefons liefern. Um eine höhere Spannung zu erhalten, schalten Sie einfach viele Zellen in Reihe. Die durchschnittlichen Kosten pro Watt für monokristalline Solarzellen liegen bei etwa 1 US-Dollar.

Wenn Sie auf die graue Oberseite der Solarzelle hinunterblicken, können Sie bis zum PN-Übergang hindurchsehen, wo alle oben genannten Vorgänge stattfinden.

Die oberste Schicht ist normalerweise die N-Typ-Region. Das Anbringen einer N-Region oben hat den Vorteil, dass sie aufgrund des Vorhandenseins von Phosphor anstelle von Bor widerstandsfähiger gegen lichtinduzierten Abbau ist. Dieser Faktor führt dazu, dass sich mehr Ladungen innerhalb der Zelle bewegen und eine effizientere und leistungsfähigere Leistung erzielt wird.

Nächste Woche werden wir organische Solarzellen und ihre Funktionsweise untersuchen.

Gary Hanington ist emeritierter Professor für Physik am Great Basin College und Chefwissenschaftler am AHV. Er kann unter [email protected] erreicht werden.

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Antwort: SQRT (36)

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