Fenster-Solarzellen erreichen 11% Wirkungsgrad
Transparente Sonnenkollektoren an Fenstern könnten den Strombedarf eines Gebäudes senken
Ein chinesisch-amerikanisches Forschungsteam hat nun funktionale, knapp 50% transparente Photovoltaik-Zellen entwickelt – berichtet die Universität von Michigan am 17.08.2020 in einer Medienmitteilung. Die Forschenden stellten einen neuen Effizienzrekord für farbneutrale, transparente Solarzellen auf und sind damit Wolkenkratzern als Stromquelle einen Schritt näher gekommen.
Das Team erreichte 8,1 % Effizienz und 43,3 % Transparenz mit einem organischen oder kohlenstoffbasierten Design anstelle von konventionellem Silizium. Die Zellen weisen zwar einen leichten Grünstich auf, ähneln aber viel mehr dem Grau von Sonnenbrillen und Autofenstern. “Fenster, die sich auf der Vorderseite jedes Gebäudes befinden, sind ein idealer Standort für organische Solarzellen, weil sie etwas bieten, was Silizium nicht bieten kann, nämlich eine Kombination aus sehr hohem Wirkungsgrad und sehr hoher sichtbarer Transparenz”, so die Professoren Stephen Forrest und Paul G. Goebel.
Aus den USA kamen bereits 2016 von der gleichen Universität Meldungen über transparente Solarzellen, erstmals “völlig” transparent: Hatten bereits im Juli 2012 entsprechende Mitteilungen kursiert – damals nutzten Forscher an der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA) den Infrarot-Teil des Lichts zur Stromproduktion – haben jetzt ihre Kollegen an der Michigan State University (MSU) in East Lancing ein weiteres Konzept für transparente Solarzellen vorgestellt, das Transparent Luminescent Solar Concentrator Module.(siehe: solarify.eu/voellig-transparente-solarzellen)
Gebäude mit Glasfassaden sind üblicherweise mit einer Beschichtung versehen, die einen Teil des Lichts, sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Bereich des Spektrums, reflektiert und absorbiert, um die Helligkeit und die Erwärmung im Gebäudeinneren zu reduzieren. Anstatt diese Energie wegzuwerfen, könnten transparente Sonnenkollektoren sie nutzen, um einen Teil des Strombedarfs des Gebäudes zu decken. Die Transparenz einiger bestehender Fenster ähnelt der Transparenz der Solarzellen, über die Forrests Team in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences berichtet.
“Das neue Material, das wir entwickelten, und die Struktur des von uns gebauten Geräts mussten mehrere Kompromisse ausgleichen, um gleichzeitig eine gute Sonnenlichtabsorption, hohe Spannung, hohen Strom, niedrigen Widerstand und farbneutrale Transparenz zu gewährleisten”, sagte Yongxi Li, Assistent in der Abteilung Elektrotechnik und Informatik.
Das neue Material ist eine Kombination aus organischen Molekülen, die so entwickelt wurden, dass sie im sichtbaren Bereich transparent sind und im nahen Infrarot absorbieren, einem unsichtbaren Teil des Spektrums, der einen Großteil der Energie des Sonnenlichts ausmacht. Darüber hinaus entwickelten die Forscher optische Beschichtungen, um sowohl die aus Infrarotlicht erzeugte Energie als auch die Transparenz im sichtbaren Bereich zu erhöhen – zwei Qualitäten, die normalerweise miteinander konkurrieren.
Die farbneutrale Version des Geräts wurde mit einer Indium-Zinnoxid-Elektrode hergestellt. Eine Silberelektrode verbesserte den Wirkungsgrad auf 10,8%, bei 45,8% Transparenz. Der leicht grünliche Farbton dieser Version ist jedoch bei einigen Fensteranwendungen möglicherweise nicht akzeptabel.
Beide Versionen können in großem Maßstab hergestellt werden, wobei Materialien verwendet werden, die weniger toxisch sind als andere transparente Solarzellen. Die transparenten organischen Solarzellen können auch an lokale Breitengrade angepasst werden, indem man sich die Tatsache zunutze macht, dass sie am effizientesten sind, wenn die Sonnenstrahlen in einem senkrechten Winkel auf sie auftreffen. Sie können zwischen die Scheiben von doppelt verglasten Fenstern eingesetzt werden.
Forrest und sein Team arbeiten an mehreren Verbesserungen der Technologie. Sie untersuchen auch die Wirtschaftlichkeit des Einbaus transparenter Solarzellenfenster in neue und bestehende Gebäude.
Die Forschungsergebnisse werden in den Proceedings of the National Academy of Sciences in dem Artikel “Color-Neutral, Semitransparent Organic Photovoltaics” von Yongxi Li, Xia Guo, Zhengxing Peng, Boning Qu, Hongping Yan, Harald Ade, Maojie Zhang und Stephen R. Forrest veröffentlicht. Dem Team gehören Forscher der North Carolina State University, der Soochow University in China und des SLAC National Accelerator Laboratory an.
Abstract aus PNAS:
Wir demonstrieren eine semitransparente organische Photovoltaikzelle, die eine Energieumwandlungseffizienz von 10,8 % und eine sichtbare Transparenz von ?50 % erreicht, unter Verwendung eines Nicht-Fulleren-Akzeptors (NFA) mit starker Nah-Infrarot-Absorption (NIR) und einfacher Synthese. Entgegen den Erwartungen werden eine stärkere NIR-Absorption und eine engere molekulare Packung durch den Einsatz eines Additivs in diesen teilweise, statt vollständig geschmolzenen, starren NFAs erreicht. Durch die Kombination von NIR-absorbierenden Materialsätzen mit einer optischen Auskopplungsstruktur sowie einer transparenten Elektrode überwinden wir die Kompromisse zwischen Effizienz, Transparenz und Erscheinungsbild des Geräts. Diese Ergebnisse übertreffen andere semitransparente Solarzellentechnologien auf der Basis organischer und anderer Dünnschichtmaterialsysteme und zeigen eine vielversprechende Zukunft für ST-OPVs als stromerzeugende Fenster und andere Anwendungen zur Gewinnung von Solarenergie.
Semitransparente organische Photovoltaik-Zellen (ST-OPVs) könnten Lösungen für die Nutzung von Sonnenenergie an Gebäudefassaden, Dächern und Photovoltaik-Fenstern werden. Der Kompromiss zwischen der Energieumwandlungseffizienz (Power Conversion Efficiency, PCE) und der durchschnittlichen photopischen Transmission (Average Photopic Transmission, APT) in farbneutralen Geräten schränkt jedoch ihren Nutzen als attraktive, Strom erzeugende Fenster ein. Eine farbneutrale ST-OPV wird durch die Verwendung einer transparenten Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Anode zusammen mit einer engen Energielücke, einer nicht volleren Akzeptor-Nahinfrarot (NIR)-absorbierenden Zell- und Auskopplungsbeschichtung (OC) auf der Austrittsfläche demonstriert.”
Quellen:
- Yongxi Li, Xia Guo, Zhengxing Peng, Boning Qu, Hongping Yan, Harald Ade, Maojie Zhang und Stephen R. Forrest: Color-Neutral, Semitransparent Organic Photovoltaics, in: Proceedings of the National Academy of Sciences, pnas.org/content/early/2020/08/12/2007799117
- news.engin.umich.edu/2020/08/urban-solar-energy-solar-panels-for-windows-hit-record-8-efficiency
- solarify.eu/voellig-transparente-solarzellen
