Neue Solarzellen dünner als ein Blatt Papier

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Materialwissenschaftler der Stanford
University erreichen einen Rekord beim Wirkungsgrad

Neue Solarzellen dünner als ein Blatt Papier
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Wolframdiselenid auf Polymerfolie (Foto: Koosha Nassiri Nazif, stanford.edu)
Archiv | 18.12.2021 | Auf dem Weg zu Solarzellen, die dünner sind als ein Blatt Papier, sind Forscher der Stanford University ein großes Stück vorangekommen. Sie arbeiten mit einer Werkstoffgruppe namens Übergangsmetall-Dichalkogenide - Beispiel Wolframdiselenid, das sehr große Mengen an Licht absorbieren kann. An dessen Umwandlung in Strom haperte es bisher jedoch. Die erreichten Wirkungsgrade lagen bei weniger als zwei Prozent, während Siliziumzellen auf deutlich mehr als das Zehnfache kommen.

27 Prozent durchaus möglich

In Kalifornien gelang es jetzt, ultradünne Zellen herzustellen, die auf 5,1 Prozent kommen. Doch Krishna Saraswat und seine Mitarbeiter sind sicher, dass sie durch optische und elektrische Optimierung 27 Prozent erreichen und so auf das Silizium-Niveau kommen. Darüber hinaus hat der Prototyp ein 100 Mal höheres Leistungsgewicht als alle bisher entwickelten Zellen auf der Basis dieser Materialfamilie. Sie liegt bei 4,4 Watt pro Gramm. Das entspricht dem Wert, den andere Dünnschichtzellen erreichen, die aber trotz ihrer Bezeichnung um ein Vielfaches dicker sind als die Stanford-Zelle.

 

Das Leistungsgewicht ist wichtig für mobile Anwendungen, etwa bei Drohnen und Elektrofahrzeuge oder auch bei der Versorgung von Expeditionsteilnehmern weit abseits der Zivilisation. Auch diesen Wert glaubt Saraswat noch verbessern zu können. Er hält 46 Watt pro Gramm für realistisch. Silizium-Module liegen weit darunter, allein schon wegen der Dicke des Materials. Die größten Vorteile der Ultradünnen sind ihre Flexibilität (sie können auf beliebig gewölbte Untergründe geklebt werden), der kaum nennenswerte Materialverbrauch und die geringen Herstellungskosten. Drohnen etwa könnten zumindest einen Teil ihres Strombedarfs durch Solarzellen decken, die auf den Flügeln befestigt sind.

 

Komplettes Modul ist sechs Mikrometer dick

Weil die Stromerzeuger so dünn und leicht sind, beeinträchtigen sie die Funktion der Flügel nicht. Selbst auf die Haut könnten solche Zellen geklebt werden, um etwa eine Smartwatch zu versorgen. Das Stanford-Team hat ein aktives Array hergestellt, das nur wenige 100 Nanometer dick ist. Es umfasst das photovoltaische Wolframdiselenid und Goldkontakte, die von einer Schicht aus leitendem Graphen überzogen sind, das nur ein einziges Atom dick ist. Den Abschluss bilden ein dünnes Polymer und eine Antireflexbeschichtung, die die Lichtabsorption verbessert. Das so aufgebaute Modul ist weniger als sechs Mikrometer dick. (pte)


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