Freitag, 29. März 2024

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Für den Weltraum werden 100-mal leichtere Solarmodule entwickelt 

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Wissenschaftler der University of Pennsylvania stellen Solarzellen aus einem atypischen Material her – üblicherweise zweidimensionalen Dichalkogeniden von Übergangsmetallen (DPM). Diese Materialien haben eine relativ geringe Effizienz bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität, sind aber hundertmal leichter als moderne Silizium-Fotopaneele. Aus Platzgründen ist das geringe Gewicht ein entscheidender Vorteil. Bei Panels mit DPM gibt es jedoch noch viel zu tun.

Die Dicke des DPM-Films beträgt nur wenige Atome. Dies ist mehrere Größenordnungen dünner als die Silizium- oder Galliumarsenidschicht moderner Fotopaneele. Dadurch wird es möglich, DPM-Solarzellen um das Hundertfache oder noch leichter zu machen. Für die Ausweitung der menschlichen Präsenz im Weltraum – im Orbit, auf den Monden und anderen Planeten – wird das Gewicht der von der Erde transportierten Fracht von entscheidender Bedeutung sein. Die Zeit wird kommen und Silizium in der Weltraumenergie muss aufgegeben werden. Und dann, da sind sich die Forscher sicher, wird das goldene Zeitalter der Lichtphotopanels aus Dichalkogeniden von Übergangsmetallen kommen.

DPM-Materialien haben jedoch einen erheblichen Nachteil. Alle bisher auf dieser Basis erstellten Fotozellenmuster wiesen einen Wirkungsgrad von nicht mehr als 5 % auf. Vom Gewicht her ist es immer noch besser als Silizium, allerdings muss im Idealfall die Effizienz des vielversprechenden Materials gesteigert werden, was beispielsweise durch eine Optimierung des Aufbaus der Fotozelle erfolgen kann. Genau das haben Wissenschaftler der University of Pennsylvania getan und damit beachtliche Erfolge erzielt: Sie schlugen eine Struktur einer DPM-Zelle mit einem Wirkungsgrad von 12 % vor.

Für den Weltraum werden 100-mal leichtere Solarmodule entwickelt

Es sollte klargestellt werden, dass der angegebene Wirkungsgrad mit dem digitalen Modell der Fotozelle erreicht wurde. Die Forscher beschlossen, nicht mit Experimenten, sondern mit der Modellierung zu beginnen, was durchaus Sinn macht – so ist es billiger und schneller. Doch auf Basis des digitalen Modells und der entwickelten Methoden sind Experten zuversichtlich, dass sie oder ihre Kollegen in den nächsten vier bis fünf Jahren physische Proben von Solarzellen aus Dichalkogeniden von Übergangsmetallen mit einem Wirkungsgrad von mindestens 10 % präsentieren können .

Das Geheimnis der Entwicklung, über die die Wissenschaftler in der neuesten Ausgabe des Device-Magazins berichteten, liegt in der mehrschichtigen Struktur des Elements (ein Film auf einem Film, wenn mehrere Photonenreflexionen zu wirken beginnen) sowie im Design der Elektroden, was eine effektive Steuerung von Exzitonen ermöglicht – den wichtigsten aktiven Elementen zweidimensionaler DPM-Strukturen. Aber das alles steht noch auf dem Papier. Wir warten auf die praktische Umsetzung.

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