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Depositphotos.com | magann | Solar Wolken

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Maximierung der Sonnenkraft durch neue Solarzellen

Dr. Francisco Cabrera und Professor Azizur Rahman entwickeln eine Solarzelle, die plasmonische und Oberflächentexturierung kombiniert und die weit verbreitete kristalline Siliziumsolarzelle (c-Si) ersetzen könnte.

Gefördert durch das Marie-Sklodowska-Curie-Programm der EU entwickeln die Elektro- und Elektronikingenieure der Stadt, Dr. Francisco Cabrera und Professor Azizur Rahman , eine Solarzelle, die plasmonische und Oberflächentexturierung kombiniert, um die kristalline Siliziumsolarzelle (c-Si) zu ersetzen.

Die täglich von der Sonne produzierte Gesamtenergiemenge reicht für den Energiebedarf der Erde für 27 Jahre. Obwohl die zur Stromerzeugung aus Sonnenlicht erforderliche Technologie bereits vielversprechend entwickelt ist, besteht dringender Bedarf an der Weiterentwicklung entsprechender Technologien.

Die überwiegende Mehrheit der im Markt für nachhaltige Energie eingesetzten und verfügbaren Solarzellen besteht aus c-Si-Zellen. c-Si ist jedoch kein effizientes Absorptionsmittel des Sonnenspektrums. Der theoretische maximale Wirkungsgrad für eine c-Si-Single-Junction-Solarzelle wurde mit 33 % identifiziert, bekannt als Schockley-Queisser (SQ)-Grenze. Seit der Bekanntgabe des SQ-Limits haben sich die Forschungsbemühungen darauf konzentriert, dieses Limit zu überwinden (zB Multijunction-Solarzellen, organische Solarzellen, Perowskite usw.).

Zudem führt der hohe Brechungsindexkontrast zwischen Luft und Si zu einer hohen Fresnel-Reflexion an der Grenzfläche Luft-Si. Ein Verfahren zum Überwinden der hohen Fresnel-Reflexion (daher die Absorption verbessernd) besteht darin, ein Muster aus Metallpartikeln (dh plasmonische Solarzellen) oder ein Strukturierungsmuster auf der Oberseite der Solarzellenoberfläche einzubringen.

Die Grundidee von plasmonischen Solarzellen besteht darin, ein metallisches Partikel entweder i) auf die Oberfläche oder ii) in das aktive Material zu platzieren.

Einheitliches Feld

Herkömmlicherweise wird ein Teilchen in Nanogröße betrachtet, das kleiner als eine Wellenlänge des einfallenden Lichts ist. Daher erfährt das Teilchen ein gleichförmiges Feld und es schwingt, wenn die einfallende Welle es durchquert, anstatt die einfallende Welle (bei Resonanzfrequenz) zu reflektieren.

Als Folge davon steigt die Lichtmenge, die in das Aktivmaterial der Solarzelle eindringt. Diese Leistungssteigerung betrifft nur einen begrenzten Teil des Sonnenspektrums (um die Resonanzfrequenz des Metallpartikels). Der Hauptzweck der Texturierung eines Musters auf der SC-Oberfläche besteht darin, die Häufigkeit zu erhöhen, mit der das Sonnenlicht auf die SC-Oberfläche zurückgeworfen wird (aufgrund mehrfacher Lichtreflexionen innerhalb des Bereichs zwischen den Elementen des Musters).

Diese Mehrfachreflexionen erhöhen die Chancen der Lichtabsorption. Darüber hinaus können Texturierungsmuster zusätzliche Vorteile bieten (aufgrund des Brechungsindex-Mittelungseffekts durch das Muster).

Das übergeordnete Ziel dieses City-Forschungsprojekts besteht darin, ein neues einfaches Texturierungsmuster zu entwickeln, um die Absorption von Siliziumsolarzellen über den gesamten Sonnenspektrumbereich zu verbessern, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen. Dies nutzt die Leistungssteigerung mehrerer Texturierungsmuster (die verschiedene Teile des Sonnenspektrums beeinflussen) und plasmonischer Metallpartikel und kombiniert sie, um eine Leistungssteigerung über einen weiten Wellenlängenbereich zu erreichen.

Quelle

CITY / University of London 2021

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