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Solarzellendefekt-Rätsel nach Jahrzehnten globaler Bemühungen gelöst

Silizium-Solarpark

Ein Wissenschaftlerteam der University of Manchester hat nach 40-Jahren weltweiter Forschung einen entscheidenden Fehler bei Sonnenkollektoren behoben.

Sonnenkollektoren gehören aufgrund ihrer relativen Kosten und der Verfügbarkeit für die Verbraucher zu den am besten verfügbaren Systemen zur Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Quellen. Die Mehrheit der Solarzellen erreicht jedoch nur einen Wirkungsgrad von 20% - pro kW äquivalentem Sonnenlicht können etwa 200W an elektrischer Energie erzeugt werden.

Jetzt hat ein internationales Forscherteam ein grundlegendes Problem des Materialdefekts gelöst, das die Effizienz von Solarzellen einschränkt und beeinträchtigt. Das Problem ist seit über 40-Jahren bekannt und wird untersucht, wobei über 270-Forschungsberichte dem Problem ohne Lösung zugeschrieben werden.

Die neue Untersuchung zeigt die erste Beobachtung eines bisher unbekannten Materialfehlers, der die Effizienz von Siliziumsolarzellen einschränkt.

Prof. Tony Peaker, der die jetzt im Journal of Applied Physics veröffentlichten Forschungsergebnisse koordinierte, sagte: „Wegen der Umwelt- und Finanzauswirkungen von Solarmodulen war die Verschlechterung der Effizienz in den letzten vier Jahrzehnten ein Thema von großem wissenschaftlichen und technischen Interesse. Trotz einiger der besten Köpfe in der Branche, die daran arbeiten, hat sich das Problem der Lösung bis jetzt beharrlich widersetzt. “

„In den ersten Betriebsstunden nach der Installation sinkt der Wirkungsgrad eines Solarmoduls von 20% auf etwa 18%. Ein absoluter Rückgang des Wirkungsgrads um 2% scheint keine große Sache zu sein, aber wenn man bedenkt, dass diese Solarmodule jetzt für die Bereitstellung eines großen und exponentiell wachsenden Teils des weltweiten Gesamtenergiebedarfs verantwortlich sind, bedeutet dies einen erheblichen Verlust an Stromerzeugungskapazität . "

Die Energiekosten für dieses Defizit in Bezug auf die weltweit installierte Solarkapazität betragen 10-Gigawatt. Dies entspricht mehr Energie, als von den gesamten britischen 15-Kernkraftwerken erzeugt wird. Der solare Mangel muss daher durch andere, weniger nachhaltige Energiequellen wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe gedeckt werden.

Der multidisziplinäre experimentelle und theoretische Ansatz der Forscher identifizierte den Mechanismus, der für den lichtinduzierten Abbau (LID) verantwortlich ist. Das Team kombinierte eine spezielle elektrische und optische Technik, die als "Deep-Level Transient Spectroscopy" (DLTS) bezeichnet wird, und entdeckte einen Materialdefekt, der anfänglich in der Verwendung von Silizium zur Herstellung der Zellen schlummerte.

Die elektronische Ladung in der Masse der Siliziumsolarzelle wird im Rahmen der Energieerzeugung unter Sonnenlicht umgewandelt. Das Team stellte fest, dass es sich bei dieser Transformation um eine hochwirksame "Falle" handelt, die den Fluss photoerzeugter Ladungsträger (Elektronen) verhindert.

Dr. Iain Crowe sagte: „Dieser Elektronenfluss bestimmt die Größe des elektrischen Stroms, den eine Solarzelle an einen Stromkreis abgeben kann, und alles, was sie behindert, verringert den Wirkungsgrad der Solarzelle und die Menge an elektrischer Energie, die für ein bestimmtes Sonnenlichtniveau erzeugt werden kann. Wir haben bewiesen, dass der Fehler vorliegt. Jetzt ist eine technische Korrektur erforderlich. “

Die zum Bestimmen der Qualität des Siliziummaterials verwendete Industriestandardtechnik misst die "Lebensdauer" von Ladungsträgern, die bei hochwertigen Materialien mit weniger "Fallen" länger ist. Die von Prof. Matthew Halsall geleiteten Forscher in Manchester stellten fest, dass ihre Beobachtungen stark mit dieser Ladungsträgerlebensdauer korrelierten, die sich nach Transformation des Defekts unter Beleuchtung signifikant verringerte. Sie stellten auch fest, dass der Effekt reversibel war und die Lebensdauer sich erneut verlängerte, wenn das Material im Dunkeln erhitzt wurde, ein Prozess, der üblicherweise zum Entfernen der "Fallen" verwendet wurde.

Die Debatte über die Klimakrise hat sich in jüngster Zeit intensiviert, und das Streben nach erneuerbaren Energien wurde als zentraler Politikwechsel angesehen. Während Großbritannien kürzlich seinen bisherigen Rekord für eine Woche ohne Kohlekraftwerk gebrochen hat, hat CO2 in der Atmosphäre im selben Monat das höchste Niveau in der Geschichte der Menschheit übertroffen.

Energie ist eines der Forschungsziele der Universität Manchester - Beispiele für bahnbrechende Entdeckungen, interdisziplinäre Zusammenarbeit und sektorübergreifende Partnerschaften, die sich mit einigen der größten Fragen des Planeten befassen.

Prozessindustrie Informer

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