Mehr Leistung durch Nanopartikel

Verfasst am: 10.09.2007, 12:42

Mehr Leistung durch Nanopartikel

Bevor die ganz große Zeit der Photovoltaik anbrechen kann – darin sind sich die meisten Experten einig – ist es u.a. nötig, den Wirkungsgrad der Solarzellen deutlich zu erhöhen. Amerikanische Wissenschaftler wollen dieses Ziel nun mithilfe der Nanotechnologie erreichen. Ein dünner Film aus Silizium-Nanopartikeln kann laut einer Studie, die unlängst veröffentlicht wurde, die Effizienz normaler Solarzellen aus Siliziumbasis um bis zu 67% erhöhen.

Herkömmliche Solarzellen nutzen den ultravioletten Anteil des Sonnenlichts nicht zu Gewinnung von Elektrizität. Er wird entweder herausgefiltert oder vom Silizium der Zelle absorbiert und in Hitze umgewandelt, die dann sogar zur Zerstörung der Zelle führen kann. Dabei könnte auch das ultraviolette Licht Gewinn bringend genutzt werden, wie Munir Nayfeh von der University of Illinois bereits vor ein paar Jahren festgestellt hat. Fällt es nämlich auf Nanopartikel der richtigen Größe, kann es durchaus auch in Elektrizität umgewandelt werden.

Der Wirkungsgrad handelsüblicher Solarzellen liegt derzeit zwischen 13 und 18%. Experimente im Labor haben nun gezeigt, dass Solarzellen, die mit einem Film aus roten, 2,85 Nanometern kleinen Silizium-Partikeln überzogen waren (ein Nanometer entspricht einem Fünfzigtausendstel der Breite eines menschlichen Haares), im Bereich des ultravioletten Lichts eine Effizienzsteigerung von 67% aufweisen. Auch im sichtbaren Spektrum arbeiten diese Zellen effektiver. Hier beträgt die Steigerung immerhin noch 10%. Verwendet man Partikel, die nur einen Nanometer groß sind, erhält man immerhin eine Effizienzsteigerung von 60% im ultravioletten Bereich. Im sichtbaren Spektrum beträgt sie dann jedoch weniger als 3%.

Es ist, so betont Nayfeh, nicht sonderlich aufwendig, die Nanopartikel auf die Solarzellen aufzubringen. Hierzu werden sie in Isopropylalkohol verteilt und dann auf der Oberfläche der Solarzellen gesprüht. Der Alkohol verdunstet und ein Film mit dicht gepackten Nanopartikeln, die fest mit Oberfläche verbunden sind, bleibt zurück. Dieser Vorgang ließe sich recht einfach in den normalen Herstellungsprozess von Solarzellen integrieren. Auch die zusätzlichen Kosten sollen sich in Grenzen halten, fügt der Wissenschaftler hinzu.

Wenn sich die Ergebnisse aus den Laborversuchen auch im täglichen Einsatz im „Freiland“ bestätigen sollten, dürfte diese neue Technologie dazu beitragen, der Photovoltaik einen weiteren Schub nach vorne zu verschaffen.

Verfasst am: 10.09.2007, 13:35

Das ist ja cool, dann hat man auch noch Erträge bei grauem Himmel. Durch dünne Wolken kommt nähmlich noch UV-Licht, während der rote- bzw. infrarote-Anteil schon durch leichte Wolken komplett abgeblockt wird. Wie hoch ist denn der UV-Anteil an der Gesamteinstrahlleistung? Das ganz "böse" UV-Licht bleibt ja schon in der Ozonschicht hängen - solange es die noch gibt. Embarassed

Gibt es denn schon Interessenten aus der Wirtschaft?

MfG
eweri

Vielschreiber Angemeldet: 24.06.2007 Beiträge: 231

naja naja,

ist ja schön, dass es auch andere Ansätze gibt um die Effizienz zu steigern...aber mit Lobeshymnen wär ich hier sehr sehr vorsichtig.

1. ist UV zwar sehr energiereich, aber die Lichtintensität ist auch recht gering im Vergleich zum sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums.

2. find ich die Aussage "UV wird absorbiert und in Hitze umgeawndelt" auch ein wenig einfach. Richtig ist, dass einfallende Strahlung in der Zelle absorbiert wird (Absorbtion), hindurch geht (Transmission), oder reflektiert wird(Reflektion). Wenn hier was absorbiert wird, ist das ein absolut wünschenswerter Effekt, denn nix anderes führt zu einem energetischen Plus in der Zelle die wir eben als Strom abziehn können oder halt als Wärme abgestrahlt wird.

Verfasst am: 10.09.2007, 15:31

firestarter hat Folgendes geschrieben:

naja naja,

ist ja schön, dass es auch andere Ansätze gibt um die Effizienz zu steigern...aber mit Lobeshymnen wär ich hier sehr sehr vorsichtig.

1. ist UV zwar sehr energiereich, aber die Lichtintensität ist auch recht gering im Vergleich zum sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums.

Deswegen meine Frage nach dem Anteil an der Gesamteinstrahlleistung Smile

firestarter hat Folgendes geschrieben:

2. find ich die Aussage "UV wird absorbiert und in Hitze umgeawndelt" auch ein wenig einfach. Richtig ist, dass einfallende Strahlung in der Zelle absorbiert wird (Absorbtion), hindurch geht (Transmission), oder reflektiert wird(Reflektion). Wenn hier was absorbiert wird, ist das ein absolut wünschenswerter Effekt, denn nix anderes führt zu einem energetischen Plus in der Zelle die wir eben als Strom abziehn können oder halt als Wärme abgestrahlt wird.

Okay, aber im Moment ist es ja so, das ein Grossteil der UV-Strahlung leider nur zur Erwärmung der Module beiträgt.

Laut wikipedia geht der sichtbare Bereich von ca. 400nm bis 700nm Wellenlänge. http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenspektrum
Hier http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg sieht das aber gar nicht gut aus, UV ist ja wirklich fast nichts.

MfG
Christoph

Verfasst am: 10.09.2007, 17:59

filou hat Folgendes geschrieben:

Mehr Leistung durch Nanopartikel
...
Der Wirkungsgrad handelsüblicher Solarzellen liegt derzeit zwischen 13 und 18%.

Wie aktuell ist diese Meldung?

Der höchste mir bekannte Wirkungsgrad handelsüblicher Solarzellen beträgt 20,2% (Sanyo HIP-205BE11).

hgf

Vielschreiber Angemeldet: 24.06.2007 Beiträge: 231

Zitat:

Okay, aber im Moment ist es ja so, das ein Grossteil der UV-Strahlung leider nur zur Erwärmung der Module beiträgt

eben nicht...
zumindest nicht so, dass UV an der Erwärmung schuld wär.

Das Stichwort ist der photo-elektrische Effekt.

Ich mach mal ne Kurz-Exkursion

Was passiert in einer Solarzelle?
...wir betrachten mal nur den Teil der Absorbtion (der rest, der gleich reflektiert wird oder der einfach durchläuft(tranmission) lassen wir mal weg.

Strahlung (egal ob UV, sichtbar, infrarot, etc.) die aufs Material trifft, kann Ladungsträger auf ein höheres Energeiniveau bringen.
...je nach Theorie kann man auch sagen: Elektronen vom Valenzband ins Leistungsband.
Zwischen den Bändern ist eine Lücke. Also wenn ein Elektron ins Leistungsband "hüpfen"soll, muss ein Photon mindestens genug Energie haben, damit das elektron hoch genug gehoben wird.

Ein Elektron was angehoben wurde, kann wieder unter abgabe von Strahlung auf ein niederes Niveau sinken.
Wenn es direkt wieder auf sein ursprüngliches Niveau sinkt, gibt es wieder exakt so ein Photon ab, mit dem es auch angehoben wurde.
...allerdings, kann das Elektron auch über Tippelschritte wieder zurückfallen. Da werden dann in jedem einzelnen Schritt je ein Photon abgegeben. Die Summe der Energien der einzeln abgegeben Photonen entspricht dann der Energie des ursprunglichen für die Hebung verantwortlichen Photons.
...d.h. als (reines) Beispiel aus einem ursprünglich sehr energiereichen UV-Photon (250nm) wurden 2 schwach energetische grüne Photonen (500nm)

machen wir mal nen Beispiel (rein willkürliche Zahlen):
Elektron im Valenzband hat ein Energie-Niveau von 80
Lücke zwischen Valenz und Leistungsband beträgt 20
...d.h. Leitungsband fängt bei 100 an.

Nun sagen wir mal ein Photon im
IR-Bereich hat die Energie 10
sichtbar rot/grün/blau 20/30/40
UV hat 50

Die schicken wir jetzt auf unsere Pseudo-Solarzelle
-Elektron hat Valenzband 80 + Photon ausm IR von 10 = 90
90<100, d.h. das Elektron ist nicht im Leitungsband und wir können es nicht nutzen.
...irgendwan hüpft es wieder runter auf 80 und gibt damit wieder ein IR-Photon (weil 10) frei
-nun zum Sichtbaren:
Elektron hat wieder 80 + rot/grün/blau-es Photon 20/30/40 = 100/110/120
allesamt größer 100, d.h. die sind im Leitungsband und können abgegriffen werden. Die grünen können sogar 1mal und die blauen sogar 2mal ein IR-Photon loslassen und haben trotzdem noch immer 100
übringends: das Absammeln der Ladungsträger passiert in der Solarzelle durch den PN-Übergang. Dieser hat ein inneres elektrische Feld und trennt die soweit, dass wir sie nutzen können (durch äußeren kurzschluss)
-nun zum UV
hier wird das Elektron im Valenzband sogar auf 80+50=130 gehoben
schön und gut, es kann sogar 3x10er photonen, oder ein 20er+ ein 10er, oder sogar drei 10er von sich lassen und es ist immernoch im Leitungsband.

Wie man sieht, ist es vollkommen Wurscht,
aus welchem Teil des Spektrums ein Photon eingefangen wird....hauptsache es reicht um ein Elektron vom Valenz ins Leitungsband zu heben.

...praktisch sieht die Sache natürlich unendlich komplizierter aus Very Happy

Verfasst am: 10.09.2007, 21:28

in üblichen Solarzellen gilt meines Wissens:

1 Photon = 1 Elektron (egal welche Energie, solange die Mindestenergie überschritten ist, ansonsten gibts eben gar kein Elektron)

1 Photon kann also meines Wissens in herkömmlichen Zellen nicht umher hüpfen und mehrere Elektronen erzeugen, egal wie energiereich es ist.

Diese Meldungen kann man meiner Ansicht nach übrigens getrost ignorieren, das ist vergeudete Zeit. In regelmäßigem Abstand alle paar Wochen tauchen solche Meldungen auf und das seit vielen, vielen Jahren.

Wirklich interessant sind die Dinge, die die Hersteller tatsächlich auf den Markt bringen. Da gibts ja tatsächlich hin und wieder was neues...

mfg

Verfasst am: 10.09.2007, 22:28

Ein weiteres Problem wird sein, dass das Deckglas so gut wie kein UV Licht durchlässt. Aber das ist ja auch nur ein Detail, welches man für über 60% Steigerung gerne löst Smile

bis dann
Christian

Verfasst am: 13.09.2007, 20:30

"Nano" ist halt derzeit einfach total hipp.

Wer auf sich aufmerksam machen will, der sagt einfach "Nano nano" - wie der Mork vom Ork. Laughing

ciao,
sh

Verfasst am: 14.09.2007, 11:01

Hallo,

in der Forschung in Nano schon seit einigen Jahren "Out", hier zählt jetzt Bio. Das in allen möglichen Kombinationen wie z.b: Pharmacie, Informatik, Chemie, Physik, usw.

Noch zu den Begriffen Adsorption und Absorption

Adsortion ist das anlagern an definierte Oberflächen z.B.: org. Verbindungen an Aktivkohle

Absortpion ist das ganze an nicht definierten Oberflächen, also wie hier vorher beschrieben werden die Elektronen in einem Atom durch Energie aus Ihren Bahnen in eine höhere Bahn befördert, und die hiefür benötigte Energie wird das als Strahlung wieder abgegeben.
Dieses nutzt man z.B.: zu den Verfahren der spektrolytischen Bestimmung der Metalle z.B. AES,AAS ICP (hier nicht weiter interessant)

Normales Glas macht bei einer Wellenlängen von ca. 250 nm dicht. Es gilt je kleiner die Wellenlänge einer Strahlung, desto Energiereicher ist sie.
Quarzglas läßt auch Wellenlängen bis herunter zu 170 - 180 nm durch, ist jedoch sehr sehr teuer, ca. 20 - 40 mal wie normales Glas. Es gibt auch Kunststoffe die solche Eigenschaften haben, aber die sind auch preislich ähnlich.

Aber man soll die Eigenschaften von Nanopartikeln nicht unterschätzen.
Als Beispiel will ich mal Aluminuim anführen. Als Blech ist es überhaupt nicht reaktiv. Als Nanopartikel brennt er sofort ab, und noch kleiner erhöht er die Wirkung von Sprengstoff erheblich. War das Nano-Al vor Jahren jederzeit zu kaufen, gibt es es heute in Zeiten von Terror nicht mehr.
Also die Nanopartikel können schon viel bewirken, aber bis dies finanziel interessant wird, wird noch einiges an Zeit vergehen.

Soviel nur als Eingang in die Materie, die wie schon vorher beschrieben um einiges komplizierter und z.T.unerforscht ist.

Mfg
Alanenfürst