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Singulett-Fission-Solarzelle: Eine effiziente Möglichkeit, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln

INGENIEURWISSENSCHAFTENSingulett-Fission-Solarzelle: Eine effiziente Möglichkeit, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln

Wissenschaftler des MIT haben bestehende Siliziumsolarzellen mit der Singulett-Exzitonenspaltungsmethode sensibilisiert. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Solarzellen von 18 Prozent auf bis zu 35 Prozent gesteigert und damit die Energieausbeute verdoppelt und damit die Kosten der Solartechnik gesenkt werden.

Es wird immer wichtiger, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und Technologien für eine nachhaltige Zukunft aufzubauen. Solarenergie ist eine erneuerbare Quelle von neue Energie wo das Licht der Sonne in elektrische Energie umgewandelt wird. Solarzellen werden am häufigsten aus Silizium hergestellt, das mithilfe eines photovoltaischen Prozesses Sonnenlicht in Strom umwandelt. Es werden auch Tandemzellen entwickelt, die in der Regel Perowskitzellen enthalten, bei denen jeder Abschnitt der Solarzellen die Energie der Sonne aus ihrem vielfältigen Spektrum nutzen kann und somit eine höhere Effizienz aufweist. Heute verfügbare Solarzellen sind durch ihren Wirkungsgrad von nur 15 bis 22 Prozent begrenzt.

Eine am 3. Juli in . veröffentlichte Studie Natur hat gezeigt, wie Silizium Solar- Die Zelleffizienz könnte durch Anwendung eines Effekts namens Singulett-Exzitonenspaltung auf bis zu 35 Prozent gesteigert werden. Bei diesem Effekt kann ein einzelnes Lichtteilchen (Photon) zwei Elektron-Loch-Paare erzeugen, anstatt nur eines. Die Einzelexzitonenspaltung wird seit ihrer Entdeckung in den 1970er Jahren in vielen Materialien beobachtet. Die aktuelle Studie zielte darauf ab, diesen Effekt erstmals in eine brauchbare Solarzelle zu übersetzen.

Die Forscher übertrugen den Einzelexzitonenspaltungseffekt von Tetracen – einem bekannten Material, das ihn aufweist – auf kristallines Silizium. Dieses Material Tetracen ist ein organischer Kohlenwasserstoff-Halbleiter. Die Übertragung wurde erreicht, indem eine zusätzliche dünne Schicht aus Hafniumoxynitrid (8 Angström) zwischen der exzitonischen Tetracenschicht und der Siliziumsolarzelle angeordnet und gekoppelt wurde.

Diese winzige Hafnium-Oxynitrid-Schicht fungierte als Brücke und ermöglichte die Erzeugung hochenergetischer Photonen in der Tetracenschicht, die dann die Freisetzung von zwei Elektronen in der Siliziumzelle auslöste, anstatt wie üblich. Diese Sensibilisierung der Siliziumsolarzelle reduzierte die Thermalisierungsverluste und ermöglichte eine bessere Lichtempfindlichkeit. Die Energieabgabe der Solarzellen verdoppelte sich, da mehr Leistung aus grünen und blauen Anteilen des Spektrums erzeugt wurde. Dadurch kann der Wirkungsgrad von Solarzellen auf bis zu 35 Prozent gesteigert werden. Die Technologie unterscheidet sich von den Tandem-Solarzellen, da sie dem Silizium einfach mehr Strom hinzufügt, ohne zusätzliche Zellen hinzuzufügen.

Die aktuelle Studie hat improvisierte Singulett-Fission-Silizium-Solarzellen gezeigt, die einen erhöhten Wirkungsgrad aufweisen und somit die Gesamtenergieerzeugungskosten der Solartechnologie senken können.

***

{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

Einzinger, M. et al. 2019. Sensibilisierung von Silizium durch Singulett-Exzitonenspaltung in Tetracen. Natur. 571. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1339-4

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