Ferroelektrische Kristalle können den photovoltaischen Effekt bis zu 1000-fach steigern, wenn sie periodisch in einem Gitter mit drei verschiedenen Materialien angeordnet werden. Die Entdeckung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) könnte den Wirkungsgrad von Solarzellen dramatisch steigern.
Woher kommt diese Entdeckung?
Forscher untersuchen derzeit die Verwendung alternativer Materialien zu Solarzellen auf Siliziumbasis, da diese eine begrenzte Effizienz haben. Ein solches Material ist die Bariumtitanat, ein Mischoxid aus Barium und Titan, das ferroelektrische Eigenschaften hat. „Das heißt, es hat räumlich getrennte positive und negative Ladungen“, erklärt Dr. Akash Bhatnagar, Physiker am SiLi-nano-Zentrum für Innovationskompetenz der MLU. „Dadurch entsteht eine asymmetrische Struktur, die aus Licht Strom erzeugen kann. Anders als Silizium brauchen ferroelektrische Kristalle keine Kreuzung pn um den photovoltaischen Effekt zu erzeugen. Das wird die Herstellung von Solarmodulen erleichtern.“
Ist der Kern der Nachrichten hier? Man könnte sogar versucht sein, den gesamten Artikel mit „Bariumtitanat ist die attraktivste Option für die Zukunft von Solarzellen“ zusammenzufassen. Aber es gibt noch mehr. Reines Bariumtitanat absorbiert nicht viel Sonnenlicht und erzeugt daher einen relativ geringen Photostrom. Hier setzt Martin Luthers gerade in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlichte Forschung an (Ich verlinke es dir hier): zeigt, dass die Kombination extrem dünner Schichten unterschiedlicher Materialien die Ausbeute an Solarenergie deutlich steigert. Die Forscher erstellten abwechselnd kristalline Schichten aus Bariumtitanat, Strontiumtitanat und Calciumtitanat.
Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, ist es notwendig, ein ferroelektrisches Material mit einem paraelektrischen zu kombinieren. Paraelektrisches Material, selbst wenn es normalerweise keine separaten Ladungen hat, kann unter bestimmten Umständen ferroelektrisch werden, wie beispielsweise bei sehr niedrigen Temperaturen oder bei kleinen Änderungen seiner chemischen Zusammensetzung.
Akash Bhatnagar
Bis zu 1000-mal leistungsfähigere Solarmodule?
Das neue Material wurde photoelektrischen Messungen mit Laserlichtbestrahlung unterzogen, und das Ergebnis war überraschend: Der Stromfluss war bis zu 1.000-mal höher als bei reinem Bariumtitanat ähnlicher Dicke, obwohl der Anteil von Bariumtitanat als Hauptphotoelement reduziert wurde um fast zwei Drittel.
Die so entstandenen Schichten dieses „Gitters“ interagieren so miteinander, dass die Leitungskapazität der Elektronen, also ihre Leichtgängigkeit, stark erhöht wird. Dieser Effekt wurde durch die Anregung von Lichtphotonen erreicht. Die Messergebnisse zeigten auch, dass dieser Effekt zeitlich sehr stabil ist, nachdem er über einen Zeitraum von sechs Monaten konstant geblieben ist.
Und nun?
Es muss mehr Forschung betrieben werden, um genau zu verstehen, was den außergewöhnlichen photoelektrischen Effekt verursacht, der in der Schichtstruktur beobachtet wird. Dr. Bhatnagar ist jedoch überzeugt, dass das Potenzial dieses neuen Konzepts genutzt werden könnte, um die nächsten Solarmodule zu revolutionieren: Diese Schichtstruktur zeigt in allen Temperaturbereichen einen überlegenen Wirkungsgrad im Vergleich zu reinen Ferroelektrika. Darüber hinaus sind die verwendeten Kristalle deutlich haltbarer und benötigen keine spezielle Verpackung.
Sollte sich die außergewöhnliche Fähigkeit der neuen Solarzellen auf der Grundlage dieses neuen Systems bestätigen, Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln, wäre dies eine echte Revolution in der Welt der PVund erneuerbare Energien im Allgemeinen. Wir überqueren alles, was überquert werden kann!
