Wissenschaftler der Fakultät für Physik der Universität Oxford haben einen revolutionären Ansatz entwickelt, der es ermöglichen könnte, größere Mengen Solarstrom zu erzeugen, ohne dass Solarmodule auf Siliziumbasis erforderlich wären. Ihre Innovation besteht darin, die Oberflächen von Alltagsgegenständen wie Rucksäcken, Autos und Mobiltelefonen mit einem neuen energieerzeugenden Material zu bedecken.
Dieses neue lichtabsorbierende Material ist erstmals dünn und flexibel genug, um auf die Oberfläche fast jedes gewöhnlichen Gebäudes oder Objekts aufgetragen zu werden. Mithilfe einer in Oxford entwickelten bahnbrechenden Technik, bei der mehrere lichtabsorbierende Schichten auf einer einzigen Solarzelle gestapelt werden, konnten Forscher einen größeren Teil des Lichtspektrums nutzen und so dies ermöglichen Aus der gleichen Menge Sonnenlicht mehr Energie erzeugen.
Dieses ultradünne Material, das den sogenannten „Multi-Junction“-Ansatz nutzt, wurde von einer unabhängigen Stelle mit einer Energieeffizienz von mehr als 27 % zertifiziert und erreicht damit erstmals die Leistung herkömmlicher einschichtiger Materialien sogenannte Silizium-Photovoltaikzellen. Das japanische National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) erteilte die Zertifizierung vor der Veröffentlichung der wissenschaftlichen Studie der Forscher im Laufe dieses Jahres.
„In nur fünf Jahren des Experimentierens mit unserem Mehrfachstapel- oder Verbindungsansatz haben wir Wir haben den Energieumwandlungswirkungsgrad von rund 6 % auf über 27 % gesteigert„Das liegt nahe an den Grenzen dessen, was einschichtige Photovoltaikmaterialien heute erreichen können“, sagte Dr. Shuaifeng Hu, Postdoktorand am Fachbereich Physik der Universität Oxford. „Wir glauben, dass dieser Ansatz im Laufe der Zeit Photovoltaik ermöglichen könnte.“ Geräte können wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielen, nämlich über 45 %.
Zum Vergleich: Die Energieeffizienz aktueller Solarmodule liegt bei etwa 22 % (was bedeutet, dass sie etwa 22 % der Energie in Sonnenlicht umwandeln), aber auch die Vielseitigkeit des neuen ultradünnen, flexiblen Materials ist ein Schlüsselelement. Mit einer Dicke von etwas mehr als einem Mikrometer ist es fast 150-mal dünner als ein Siliziumwafer. Im Gegensatz zu bestehenden Photovoltaiksystemen, die typischerweise auf Siliziumplatten angebracht werden, kann dieses Material auf nahezu jeder Oberfläche angebracht werden.
„Durch die Verwendung neuer Materialien, die als Beschichtung aufgetragen werden können, haben wir gezeigt, dass wir Silizium nachbilden und übertreffen können und gleichzeitig an Flexibilität gewinnen. Das ist wichtig, weil es mehr Solarenergie verspricht, ohne dass so viele Siliziumpaneele oder speziell gebaute Solarmodule erforderlich sind.“ Bauernhöfe“, sagte Dr. Junke Wang, Marie-Skłodowska-Curie-Postdoktorandin am Fachbereich Physik der Universität Oxford.
Die Forscher glauben, dass ihr Ansatz die Kosten für Solarenergie weiter senken und sie zur nachhaltigsten Form erneuerbarer Energie machen wird. Seit 2010 sind die globalen Durchschnittskosten für Solarstrom um fast 90 % gesunken, sodass er fast ein Drittel günstiger ist als Strom aus fossilen Brennstoffen. Die Innovationen versprechen weitere Kostensenkungen, da neue Materialien wie Dünnschicht-Perowskit den Bedarf an Siliziumpaneelen und speziell gebauten Solarparks verringern.
„Wir können uns vorstellen, dass Perowskit-Beschichtungen auf größeren Arten von Oberflächen angebracht werden, um billigen Solarstrom zu erzeugen, etwa auf Auto- und Gebäudedächern und sogar auf der Rückseite von Mobiltelefonen. Wenn auf diese Weise mehr Solarstrom erzeugt werden kann, können wir das vorhersagen.“ Langfristig wird es weniger notwendig sein, Siliziumpaneele zu verwenden oder immer mehr Solarparks zu bauen“, fügte Dr. Wang hinzu.
Die Forscher sind Teil eines Teams von 40 Wissenschaftlern, die sich mit Photovoltaik beschäftigen, unter der Leitung von Professor für erneuerbare Energien Henry Snaith vom Fachbereich Physik der Universität Oxford. Ihre Pionierarbeit auf dem Gebiet der Photovoltaik und insbesondere beim Einsatz von Dünnschicht-Perowskit begann vor rund zehn Jahren und profitiert von einem maßgeschneiderten Roboterlabor.
Diese Arbeit hat ein großes kommerzielles Potenzial und wird bereits in den Bereichen Versorgung, Bau und Automobil eingesetzt. Oxford PV, ein britisches Unternehmen, das 2010 aus der Physikabteilung der Universität Oxford hervorgegangen ist und dessen Mitbegründer und wissenschaftlicher Leiter Henry Snaith die Kommerzialisierung von Perowskit-Photovoltaikzellen zum Ziel hat, hat kürzlich mit der Produktion von Perowskit-Photovoltaikzellen in großem Maßstab begonnen Perowskit-Photovoltaikzellen in seinem Werk in Brandenburg an der Havel, in der Nähe von Berlin, Deutschland. Dabei handelt es sich um die weltweit erste Massenproduktionslinie für „Perowskit-auf-Silizium“-Tandemsolarzellen.
„Wir hatten zuerst über Standorte im Vereinigten Königreich nachgedacht, um mit der Produktion zu beginnen, aber die Regierung hat noch nicht die gleichen Steuer- und Handelsanreize angeboten wie anderswo in Europa und den USA“, sagte Professor Snaith. „Bisher hat das Vereinigte Königreich die Solarenergie nur im Hinblick auf den Bau neuer Solarparks betrachtet, aber das wirkliche Wachstum wird durch die Kommerzialisierung von Innovationen entstehen. Wir hoffen, dass sich das neue britische Energieunternehmen mit diesem Thema befassen wird.“
„Die neuesten Innovationen bei Solarmaterialien und -techniken, die in unseren Labors demonstriert werden, könnten zur Plattform für eine neue Industrie werden, die Materialien zur nachhaltigeren und wirtschaftlicheren Erzeugung von Solarenergie unter Nutzung von Gebäuden, vorhandenen Fahrzeugen und Objekten herstellt“, fügte Professor Snaith hinzu. „Die Bereitstellung dieser Materialien wird eine neue, schnell wachsende Industrie in der globalen grünen Wirtschaft sein, und wir haben gezeigt, dass Großbritannien innovativ ist und wissenschaftlich eine Vorreiterrolle spielt, allerdings ohne neue Anreize und einen besseren Weg, diese Innovation umzusetzen.“ „In der Fertigung wird Großbritannien die Chance verpassen, in dieser neuen globalen Industrie führend zu sein“, schlussfolgerte Professor Snaith.