24/02/2011 - Energiezanja

Menéame

Viele Forschergruppen untersuchen weiterhin die Möglichkeit einer billigen Solarenergie. Die Ergebnisse, die wir im Folgenden erzählen, stellen nur einen kleinen Teil der Anstrengungen der letzten Monate dar.

Energiezanja

Eines der Nachteile von Solarzellen aus Halbleitern ist neben ihrem Preis auch ihre geringe Leistungsfähigkeit. Fast die gesamte Energie, die sich auswirkt, wird einfach in Form von Wärme verloren. Das liegt daran, dass der Energiegraben zwischen dem Valenzband und dem Führen eines Halbleiters fest ist. Wenn man ein Photon mit geringerer Energie als dieser Graben erhält, kann ein Elektron nicht von einer Band in eine andere gelangen, es absorbiert es nicht und diese Energie wird in Form von Wärme verloren. Nur mit Energiefotos, die dem Energiegraben entsprechen oder darüber liegen, kann man Lasten mobilisieren und somit Strom erzeugen. Denken wir daran, dass die Energie eines Photons direkt proportional zu seiner Frequenz ist, so dass Photonen bestimmter Farben keine Energie in diesen Zellen erzeugen, da sie nicht von Elektronen absorbiert werden.

Die typische Lösung für dieses Problem wird durch Mehrschicht-Zellen erreicht, in denen ein Sandwich aus mehreren Halbleitern mit unterschiedlichen Energiegraben hergestellt wird, so dass ein Photon, das nicht von einer Schicht aufgenommen wird, auf der anderen Seite eine Photonen aus einer Vielzahl von Farben (Frequenzen) absorbiert wird. Mit diesem System werden sehr hohe Erträge von mehr als 40% erzielt, aber der Herstellungsprozess macht diese Zellen sehr teuer, da sie bis zu 18 verschiedene Folien enthalten. Die einzige kommerzielle Möglichkeit für diese Art von Zellen besteht darin, sie in Systemen mit optischen Konzentratoren zu verwenden, die das gesamte System erschweren.

Wladek Walukiewicz vom Lawrence Berkeley National Laboratory untersucht einen neuen Ansatz zum Problem [1]. Die Idee besteht darin, keine Mehrzweck-, sondern ein Halbleiter mit einem Zwischenenergieband zwischen den üblichen beiden zu verwenden, das Photonen aus verschiedenen Frequenzbereichen gleichzeitig aufnehmen kann. Er schafft es mit GaNA-Garnen

Es handelt sich derzeit um Forschungsmaterial, das nicht in Verkehr gebracht wurde, aber vielleicht ist es in naher Zukunft eine viel billigere Lösung als Mehrschichtzellen.

Plasmen

Vielleicht ist es interessant, die Lichtaufnahme durch Photovoltaikzellen zu verbessern, unabhängig davon, welche Art sie sind, wie Forscher an der Stanford University [2]. Die Idee von Mike McGehee, Yi Cui, Mark Brongersma und Michael Graezel besteht darin, Plasmen zu verwenden, um Solarenergie billig mit dünnen Photovoltaikzellen zu erzeugen.

Durch die Verwendung von Plasmen kann Licht mit sehr dünnen Folien aufgenommen werden, die sehr wenig Material verwenden. Die Verwendung von Plasmen wird derzeit durch ihre Anwendungen in den Bereichen Dialektik, Telekommunikation, Informatik und Mikroelektronik viel erforscht.

Plasmone sind nur erregte Zustände, Plasmaschwingungen, Elektronen der Metalle, wenn sie Licht auf sie beeinflussen. Man kann sagen, dass ein Plasmon ein quasi-particular ist. Wir alle erfahren, was Plasmone jeden Morgen im Spiegel des Badezimmers sind. Ein Spiegel ist nur ein Glas mit einer metallischen Beschichtung von hinten. Wenn das Licht auf diese Folie einwirkt, reagieren die Elektronen des Metalls schwingend und machen Lichtfotos zum Abprallen. Wenn das Licht eine nanostrukturierte Metallstruktur erleuchtet, verbreiten diese Elektronen das Licht in viele Richtungen. Und es ist dieser Effekt, der auf Solarzellen angewendet werden könnte. Die Idee ist es, die Komplexität dieser Nanostrukturen zu erhöhen, um den Lichtfluss mit großer Kontrolle zu manipulieren und damit das photovoltaische Material viel mehr Licht aufzunehmen.

Diese Forscher haben mit Titan- und Eisenoxidfolien experimentiert, um Muster zu schaffen, die aus kleinen periodischen Schlitzen bestehen, die dort praktiziert werden. Eine lichtempfindliche Pigmentschicht füllt diese Spalten und eine weitere Silberschicht ergänzt das System. Das endgültige Aussehen ist ein sechseckiges Muster von Nanokuppeln. Diese Nanokuppeloberfläche fängt das Licht aller Richtungen und sendet es an das Pigment, das für die Stromerzeugung verantwortlich ist. Die Größe, Höhe und Anordnung dieser Kupuli sind darauf ausgelegt, die Plasmonik des Geräts zu optimieren.

Das Licht geht durch die Titanoxidschicht und ein Teil wird in elektrischen Strom umgewandelt, aber die entweichenden Photonen werden durch die Schicht der Silberkuppeln (dank der Plasmone) auf der anderen Seite zurückgebracht, damit sie Elektrizität erzeugen.

Diese Photovoltaikzellen sind nur typische Pigmente, sehr billige Zellen, aber kurzlebig und leistungsarm. Sie können alle möglichen Formen annehmen, und außerdem sind die für ihre Herstellung erforderlichen Materialien billig, reichlich und ungiftig. Dieses neue System ermöglicht eine Steigerung der Leistung dieser Zellen.

Die besten Pigmentzellen haben eine Performance von 8%, die besten Siliziumzellen erreichen 25% ( 40% in Mehrschichtsystemen). Pigmentzellen können etwa 7 Jahre unter atmosphärischen Elementen dauern, während kommerzielle Zellen 20 bis 30 Jahre dauern können.

Mit dem neuen System erreicht man eine Pigmentzellenleistung von 15% und verlängert die Lebensdauer etwas. Es bleibt noch Zeit für die Vermarktung dieser Idee, schließlich wurde die erste Pigmentzelle geschaffen und 1991.

Thermoelektrische Wirkung

Eine weitere Idee ist die Verwendung des thermoelektrischen Effekts, durch den ein Wärmestrom direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird (mit Genehmigung eines kalten Brennpunkts und des Thermodynamik-Effekts). Forscher des Ames Laboratory konnten die Leistung dieser Geräte um 25% verbessern [3][4].

Der Seebeck-Effekt, durch den Wärme in Elektrizität umgewandelt wird, ist seit dem 19. Jahrhundert bekannt und in vielen Geräten verwendet worden. So werden beispielsweise Sonden, die in das äußere Sonnensystem geschickt werden, wo es fast kein Sonnenlicht gibt, von Radiosotopen versorgt, die Wärme erzeugen, und von einem thermolektrischen System, das es nutzt.

Der entgegengesetzte Effekt (oder Peltier-Effekt) ermöglicht das Pumpen von Wärme, wenn ein Strom aufgetragen wird und wird zurzeit für Mikroprozessoren gekühlt.

Das Problem mit dem Seebeck-Effekt ist, dass seine Leistung sehr niedrig ist, aber wenn es gelingt, seine Leistung zu erhöhen, könnte es in Autos, Mini-Solarzentralen oder in jedem Wärmeherd oder Restwärmequelle verwendet werden.

Typische chemische Elemente, die bisher in der Seebeck-Effekt verwendet wurden, sind Tellur, Antimon, Germanium und Silber (TAGS). Die Situation änderte sich, als die Experten der Ames 2010 herausfanden, dass der Zusatz von Cerium oder Iterbius die Wirksamkeit dieser Systeme erheblich verbessert hat. Sie wissen immer noch nicht, welche Mechanismen dieses Doping die Effizienz verbessert, obwohl sie wissen, dass diese Elemente das Kristallnetz verformen und dass der Magnetismus eine Rolle spielen könnte.

Die Elemente der seltenen Erden sind verflucht, weil sie diesen Namen haben. Obwohl die Angst vor einem möglichen Ausschnitt in der Erdkruste nicht selten ist, verzögert sich die Erforschung und Entwicklung von Materialien, die sie verwenden.

Künstliche Photosynthese

Ein neuer Ansatz wäre es, Halbleiter und Solid State Physics zu verlassen, sich in organische Verbindungen zu verwandeln und die Photosynthese der Pflanzen nachzuahmen. Jong Hyun Choi und sein Team an der Purdue University haben ein künstliches Photosynthesesystem aus Kohlenstoff- und DNA-Nanoröhren [5] entwickelt[6]. Diese Annäherung dürfte die Kosten der Solarenergie in einer zukünftigen und weit entfernten Vermarktung verringern.

Photoelektrochemische Zellen verwandeln Sonnenlicht in Elektrizität, aber sie verwenden einen Elektrolyt, um Elektronen zu transportieren und Strom zu erzeugen. Diese Zellen enthalten Chromophore, die organische Pigmentmoleküle sind, die das Sonnenlicht absorbieren und die Male des Chlorophylls machen, wenn sie Licht ausgesetzt sind, aber diese Exposition gegenüber dem Licht degradiert sie. Das ist der Schwachpunkt dieser Technologie.

Die neue Idee dieser Gruppe von Forschern löst das Problem, ständig von außen das Pigment zu tragen, um das zu ersetzen, das sich verschlechtert. Es besteht im Grunde aus einem Selbstreparaturprozess, der es den Zellen ermöglicht, kontinuierlich Strom zu erzeugen.

In dieser Technologie arbeiten Kohlenstoff-Nanoröhren als Plattform, auf der DNA-Stränge abgelagert werden können. Diese DNA-Sequenzen sind so konzipiert, dass sie bestimmte Moleküle spezifisch erkennen und sich ihnen anschließen. Wenn diese Moleküle von der DNA erkannt werden, wird das System sie automatisch durch die Bildung des Chromophors miteinander verbinden. Nach Chromophore degradiert können mit einer ähnlichen DNA-Technik gewaschen werden, um so neue Chromophore zu bilden, und so weiter.

Da es schwierig und teuer ist, Chromophoren biologischen Ursprungs zu verwenden, untersuchen diese Forscher bereits jetzt die Verwendung von anderen synthetischen Ursprungs.

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