Letzten Monat hat ein Forscher des National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, eine briefmarkengroße Solarzelle auf ein Tablett geladen und unter einen hochintensiven Pulssolarsimulator gestellt. Der Simulator blitzte einen 2.5-Millisekunden-Lichtpuls auf, und 19-Spiegel reflektierten die Photonen auf die Zelle. Für einige weitere Millisekunden flossen Daten durch ein Looping von Drähten in NREL-Computer. Die Forscher knirschten und korrigierten die Zahlen, und Keith Emery, der für die Überwachung der Geräteleistung verantwortlich war, überprüfte sie: Ein neuer Weltrekord für die Effizienz der photovoltaischen Photovoltaik wurde aufgestellt.

In der High-Tech-Welt der Photovoltaik wird der Punktestand gehalten, wenn der Prozentsatz der rohen Sonnenenergie auf eine Zelle trifft, die in Elektrizität umgewandelt wird. Da sein Labor das einzige in den USA ist, das von der International Electrotechnical Commission für die Prüfung der Effizienz von Solarzellen zertifiziert wurde, ist Emery der inoffizielle Solar-Score-Keeper des Landes.

Wir befinden uns in einer Renaissance-Periode der Photovoltaik-Forschung, in der ständige Innovation die Effizienz aller Arten von Solarzellen erhöht - vom herkömmlichsten kristallinen Silizium über Dünnschicht-Cadmium-Tellurid bis hin zu neuen Entwicklungen wie Perowskit-Zellen. Weltrekorde werden mit rasender Geschwindigkeit gebrochen, und die Forscher, die hinter dem neuesten Rekordhalter stehen, wissen es besser als zu lange zu feiern.

Der Sonnenheilige Gral: Grid Parity

Fast jeder in der Photovoltaik-Gemeinschaft - selbst diejenigen, die von den neuesten Innovationen im Staub gelassen werden - ist der Meinung, dass diese stetige Besserung eine sehr gute Sache ist. Für die Solarindustrie sind Effizienz-Ratings weit mehr als nur ein Ansporn für Forschungsgelder. Sie sind der Schlüssel, um der "Netzparität" näher zu kommen - der Punkt, an dem die Elektrizitätsphotovoltaik produziert, kostet genauso viel (oder weniger) wie bei Kohle- und Erdgasanlagen.

“When you can develop solar cells that have super high efficiency, you unlock savings across the board,” says physicist John Rogers of the University of Illinois at Urbana?Champaign, a widely-revered leader in photovoltaic research. “You reduce the number of modules you build. You reduce the installation cost. Maintenance cost goes down. The amount of land you need goes down.”

Die Faustregel in der Solarenergiewelt ist, dass die Photovoltaik direkt mit Kohle und Erdgas konkurrieren kann, wenn ihre Stromerzeugungskosten $ 1 pro Watt erreichen. "Die Grundannahme ist, dass, wenn man etwas auf Netzparität bringt, Die Akzeptanz der Technologie ist viel besser ", sagt Ramamoorthy Ramesh, Gründungsdirektor der SunShot-Programm des US-Energieministeriums, die in 2011 mit der Mission gestartet wurde, die Kosten für Solarstrom zu senken, um die Kosten für Strom aus fossilen Brennstoffen zu decken oder zu übertreffen.

Die Faustregel in der Solarenergiewelt ist, dass die Photovoltaik direkt mit Kohle und Erdgas konkurrieren kann, wenn ihre Stromerzeugungskosten $ 1 pro Watt erreichen. Zu der Zeit, als SunShot begann, betrugen die Kosten für PV-Strom $ 5 pro Watt. Drei Jahre später berichtet Ramesh, dass die Kosten bereits auf etwa $ 2.80 pro Watt gefallen sind.

Der Großteil der niedrig hängenden Früchte, die Kosten einsparen, wurde jedoch bereits ausgewählt, und eine Flut chinesischer Solarpaneele war ein großer Treiber für die Erschwinglichkeit von Solaranlagen. Um die nächste $ 1.80 zu rasieren, werden Zellen mit höherer Effizienz produziert und diese Entdeckungen aus dem Labor in die reale Welt gebracht.

"Mit der Photovoltaik wissen wir, was zu tun ist", sagt Ramesh. "Wir müssen die Herstellungskosten senken und die Effizienz verbessern."

Solar bietet viele Möglichkeiten für Effizienz

Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz sind vielfältig. Ein wichtiger Schwerpunkt ist das Halbleitermaterial, das Lichtenergie aufnimmt und in Strom umwandelt. Jedes Material, das als Halbleiter verwendet wird, weist einzigartige Stärken und Einschränkungen in Bezug auf Effizienz auf, typischerweise weil jedes einzelne ein bestimmtes Segment des natürlichen Lichtspektrums am besten absorbiert - so wird ständig nach Materialien gesucht, die etwas besser sein können.

Um die Effizienz zu maximieren, basteln Ingenieure ständig an jedem Aspekt dieser mikroskopischen Zellen. Andere Faktoren beeinflussen auch die End-Effizienz einer Zelle: wie ein Halbleitermaterial im Laufe der Zeit abgebaut wird, wie die Architektur der Zelle Absorption ermöglicht, wie geeignet Elektroden erfassen den Strom, den der Halbleiter erzeugt, und steuern ihn produktiv als Elektrizität. Um die Effizienz zu maximieren, basteln die Ingenieure ständig an jedem Aspekt dieser mikroskopischen Zellen - indem sie chemische Zusammensetzungen und Designs verändern, um letztendlich den besten Strom und die beste Spannung zu erzeugen.

Aufgrund der verschiedenen potenziellen Wirkungsgrade von verschiedenen Materialien und Designs könnte ein Rekord-Effizienz-Score für eine bestimmte Klasse von photovoltaischen Zellen viel höher als der andere sein. Die besten Dünnschicht-Solarzellen der Welt erreichen rund 23 Prozent, während die besten Silizium-basierten Zellen rund 26 Prozent erreichen und die besten Multi-Junction-Zellen (die ein Sortiment von übereinander gestapelten Halbleitern verwenden) 44 Prozent freisetzen .

Zellen mit mehreren Verbindungsstellen sind jedoch viel teurer in der Herstellung und können nicht wirklich in weit verbreiteten Dachaufbauten verwendet werden. Eine Siliziumzelle, die besser als die 25-Prozent-Effizienz loggt, ist also genauso aufregend und vielversprechend wie eine Multi-Junction-Zelle, die über 40 getaktet ist.

Können wir einen kontinuierlichen Anstieg der Solarenergie erwarten?

Wenn Sie sich ein Solarmodul vorstellen - auf einem Dach oder in einer großen, weitläufigen Photovoltaik-Farm -, haben Sie wahrscheinlich ein Bild von kristallinem Silizium in Ihrem Kopf. Seit Jahrzehnten ist Silizium das Arbeitspferd der Photovoltaik weltweit, dem bei weitem häufigsten Halbleiter für Solarzellen. "Silicon hat 80 bis zu 90 Prozent des Marktes für so etwas wie 20-Jahre herumgeführt", sagt Sarah Kurtz, Manager der Reliability Group bei NREL.

Während dieser Jahrzehnte sind die Wirkungsgrade von Siliziumzellen stetig, aber langsam gestiegen, und die vorherrschende Meinung war, dass es nicht viel mehr Effizienz gibt, die aus Silizium herausgeholt werden könnte. Bis vor kurzem.

Ein TeestaSun-Unternehmen aus dem Silicon Valley hat NREL-Forscher und Konkurrenten rot gesehen. Indem sie ein paar Silikon-Konventionen auf ihrem Ohr umsetzten, protokollierte TetraSun 21-Prozent-Effizienz in nur 18 Monaten Arbeit. Das hört sich vielleicht nicht nach viel an, aber es schlägt bereits typische Siebdruck-Siliziumzellen - mit Abstand am häufigsten auf Dächern - um einige ernste Prozentpunkte.

Ein Teil von TetraSuns Geheimnis ist das einiger notorischer Leistungssportler: Doping. Alle Siliziumwafer sind dotiert (chemisch behandelt), aber die sogenannten "N-Typ" -Zellen von TetraSun sind mit Phosphor dotiert. Dies verhindert, dass die Zellen die gleiche lichtinduzierte Degradation erleiden, die bei konventionellen bordotierten "P-Typ" -Wafern auftritt, was dazu beiträgt, die Effizienz länger aufrecht zu erhalten. 

Solche Bemühungen, preiswertere Komponenten mit weniger teuren Materialien zu ersetzen, werden immer wichtiger, da Unternehmen größere Photovoltaik-Anlagen bauen.

Die N-Typ-Zellen von TetraSun sind ebenfalls doppelseitig und verfügen über eine clevere Architektur, die es dem Halbleiter ermöglicht, indirektes Sonnenlicht einzufangen, das vom Boden des Moduls abprallt. Darüber hinaus tauschte TetraSun das Silbergitter, das die Vorderseite eines typischen Silizium-Photovoltaik-Panels auskleidet, und leitet den elektrischen Strom von der Zelle für Kupferelektroden ab. So einfach war das nicht - monatelang haben die Ingenieure von TetraSun mit NREL-Experten zusammengearbeitet, um herauszufinden, wie man das Kupfer, ein ziemlich widerspenstiges Material, zum Verhalten bringt. Schließlich haftete das Kupfer in Formation, die Gitterlinien etwa einundzwanzigstel der Breite eines menschlichen Haares.

Solche Bemühungen, preiswertere Komponenten mit weniger teuren Materialien zu ersetzen, werden immer wichtiger, da die Unternehmen größere Photovoltaik-Anlagen bauen wollen, NREL-Manager für analytische Mikroskopie, Mowafak Al-Jassim erzählte SolarReviews im November letzten Jahres.

Ab Februar saugen die mit TetraSuns kupferbeschichteten Zellen ausgestatteten Panels die Strahlen der Dächer der zahlenden Kunden aus. Das Unternehmen wurde von First Solar gekauft, einem großen Anbieter von kommerziellem Solar, der TetraSun sofort als erste Produktlinie für Dächer auf den Markt brachte.

Ein potenzieller aufsteigender Stern: Perowskit-Solarzellen

Wenn Siliziumforscher versuchen, einem alten Hund neue Tricks beizubringen, ist ein neues Solarmaterial namens Perowskit eine neue exotische Hundezucht, die Köpfe dreht und Kiefer senkt. Perowskit-Zellen (benannt nach einem Mineral, das im Uralgebirge gefunden wurde) schießen schneller als alles, was die Photovoltaik-Welt jemals gesehen hat, in die Effizienz-Charts.

Erst mit 2009 wurde Perowskit als Halbleiter in Solarzellen betrachtet. Zu dieser Zeit protokollierte ein japanischer Wissenschaftler, der damit experimentierte, die 3.8-Prozent-Effizienz. Letzten Monat meldete ein Team der Universität von Kalifornien-Los Angeles 19.3-Prozent.

Perowskit-Zellen "sind eine Variation an farbstoffsensibilisierten Zellen, an denen schon seit längerer Zeit gearbeitet wird", erklärt Kurtz und verweist auf eine neue Klasse von Zellen, die im Wesentlichen die Festkörper-Halbleiterscheiben durch lichtabsorbierende organische Farbstoffe ersetzt. "Gerade im letzten Jahr haben [die Forscher] eine Materialkombination gefunden, die eine höhere Effizienz ermöglicht." Und seitdem ist es in die Rennen gegangen.

Der größte Vorteil von Perowskit ist die einfache Handhabung. Es kann in einer Flüssigkeit gezüchtet und im Prinzip auf ein Basismaterial gedruckt werden, was eine einfache und kostengünstige Herstellung von Solarzellen ermöglicht, die leicht von High-Tech-Forschungslaboren in Fabriken transferiert werden kann.

Ein Problem: Die Perowskit-Zellen mit der besten Leistung werden mit Blei gemischt, was in den sicheren Grenzen eines Labors funktionieren kann, aber niemand auf ihre Dächer bringt. Im letzten Monat haben jedoch zwei separate Forschungsteams vielversprechende Ergebnisse früherer Experimente veröffentlicht, die Perowskit mit Zinn mischen. Zinn ist nicht nur sicherer und umweltfreundlicher als Blei, es ist auch viel billiger.

"Zinn ist ein sehr brauchbares Material, und wir haben gezeigt, dass das Material als effiziente Solarzelle funktioniert", sagte Mercouri Kanatzidis, Chemiker an der Northwestern University in London Aussage letzten Monat Bekanntgabe der Ergebnisse seines Teams. "Zinn und Blei sind in der gleichen Gruppe im Periodensystem, also erwarten wir ähnliche Ergebnisse."

Ob Perowskit-Solarzellen Erfolg haben, ist natürlich eine offene Frage. Die Zellen müssen ihre Brauchbarkeit in tatsächlichen Glas- und Metallmodulen noch beweisen, und das gesamte Feld ist zu jung, um irgendein Gefühl zu haben, wie gut sie im Laufe der Zeit halten.

Zellen zu stapeln ist ein weiterer Durchbruch

Für Rogers ist das Stapeln von Zellen der Weg, die Effizienzgrenzen der traditionellen Photovoltaik zu durchbrechen. Jedes gegebene Solarzellenmaterial (wie Silizium oder Cadmiumtellurid, die beliebteste Form des Dünnfilms), erklärt Rogers, ist gut darin, einen bestimmten begrenzten Teil des Sonnenlichts zu absorbieren. Da sie jedoch nur auf diese Wellenlängen abgestimmt sind, haben alle grundlegenden Solarzellen eine theoretische Grenze. (Kristallines Silizium liegt bei 29 Prozent, im Feld als Shockley-Queisser Limit bekannt.)

Rogers 'Strategie besteht darin, verschiedene Materialien zu stapeln - jede Schicht nimmt einen anderen Teil des Lichtspektrums auf. "Die Effizienz zu verbessern ist die Entwicklung von Solarzellen, die über den gesamten Spektralbereich von einfallenden Photonen der Sonne arbeiten können und das ist eine ziemlich große Bandbreite ", sagt Rogers.

Rogers Strategie besteht darin, verschiedene Materialien zu stapeln - jede Schicht nimmt einen anderen Teil des Lichtspektrums auf. "Sie können eine Solarzelle entwickeln, die sehr gut im grünen, aber miserabel im roten Bereich funktioniert", erklärt er, "aber dann stapeln Sie sie auf ein anderes, das darauf abgestimmt ist, effektiv im roten Bereich zu arbeiten."

Die resultierenden Halbleiterstapel sind winzig - weniger als ein Quadratmillimeter - aber die Glasplatte, die darüber liegt, enthält Linsen, die das Licht der Sonne direkt auf jeden Stapel richten, wie ein böses Kind, das einen Käfer mit einer Lupe anzündet. Jedes Licht, das auf das Panel trifft, trifft auf einen winzigen Zellstapel.

Dieses Kunststück der Mikrotechnik - das, um es brutal zu vereinfachen, beinhaltet, jede Schicht auf einem anderen Substrat zu wachsen, die gewünschten Zellen wegzuätzen, die Halbleiter auf die Zelle selbst zu stempeln und dann vier Schichten dick zu stapeln - funktioniert tatsächlich. Rogers 'Team hat gerade eine Vier-Schichten-Zelle angekündigt, die im Labor bei 42.5 Prozent Effizienz eintraf.

Rogers arbeitet jetzt mit der in North Carolina ansässigen Firma Semprius zusammen, um Multi-Junction-Zellen wie diese in feldfertige Module zu verwandeln. Selbst mit all den verschiedenen Utensilien erreichen Semprius-Module eine 35-Effizienz, die "das leistungsstärkste Modul überhaupt ist", sagt Rogers. "Es ist nicht einmal in der Nähe."

Hausbesitzer geben wahrscheinlich keine Bestellung bei Semprius auf, da diese Module nicht für Dächer geeignet sind. Sie sind „am besten für Solarparks im Versorgungsmaßstab geeignet, oder Sie können sich vorstellen, dass sie in Industrieparks und Datenfarmen installiert werden. Wir sprechen hier von extrem kostengünstiger, großflächiger Stromerzeugung “, sagt Rogers.

Niedrig genug, um die Netzparität zu erreichen? Siemens, der massive deutsche Solarführer, denkt das. Das Unternehmen ist ein früher Investor in Semprius, und Rogers nennt seine Bewertung der Technologie "am inspirierendsten".

"Sie haben es sich angesehen und gesagt, das könnte billiger sein als Kohle."

Und doch, ganz im Sinne der Suche nach einer besseren Photovoltaik, ist das nicht das Ende der Geschichte: Zurück im Labor sagt Rogers, dass sein Team mit einigen kleinen Verbesserungen die Effizienz um mehr als 50 steigern kann. "Wir können einen langen Weg ohne einen weiteren Durchbruch gehen."

Bleiben Sie dran.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf ENSIA

Über den Autor

Ben Jervey ist Autor und Herausgeber für Klima, Energie und Umwelt. Er schreibt regelmäßig für Nationale geographische Nachrichten, Auf der Erde und DeSmogBlog. Er hat kürzlich mit Focus the Nation zusammengearbeitet, um ein Energy 101 Grundierung. Als Fahrradenthusiast ist Ben durch die Vereinigten Staaten und durch einen großen Teil Europas geritten.

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