Ferroelektrische Kristalle können den photovoltaischen Effekt um das bis zu 1000-fache steigern, wenn sie periodisch in einem Gitter aus drei verschiedenen Materialien angeordnet werden. Die Entdeckung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) könnte die Effizienz von Solarzellen drastisch steigern.
Woher kommt diese Entdeckung?
Forscher erforschen derzeit den Einsatz alternativer Materialien zu siliziumbasierten Solarzellen, da diese nur eine begrenzte Effizienz haben. Eines dieser Materialien ist das Bariumtitanat, ein Mischoxid aus Barium und Titan, das ferroelektrische Eigenschaften besitzt. „Das bedeutet, dass es räumlich getrennte positive und negative Ladungen aufweist“, erklärt Dr. Akash Bhatnagar, Physiker am Zentrum für Innovationskompetenz SiLi-nano der MLU. „Dadurch entsteht eine asymmetrische Struktur, die aus Licht Strom erzeugen kann. Im Gegensatz zu Silizium benötigen ferroelektrische Kristalle keinen Kreuzung pn um den photovoltaischen Effekt zu erzeugen. Dadurch wird die Produktion von Solarmodulen einfacher.“
Ist der Kern der Nachrichten hier? Sie könnten sogar versucht sein, den gesamten Artikel mit „Bariumtitanat ist die interessanteste 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 kommt Martin Luthers Forschung ins Spiel, die gerade in der Zeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht wurde (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 unter Einstrahlung von Laserlicht unterzogen, und das Ergebnis war überraschend: Der Stromfluss war bis zu 1.000-mal höher als bei reinem Bariumtitanat ähnlicher Dicke, obwohl Bariumtitanat die wichtigste photoelektrische Komponente war um fast zwei Drittel reduziert.
Die so erhaltenen Schichten dieses „Gitters“ interagieren so miteinander, dass die Leitungsfähigkeit der Elektronen, also ihre Fähigkeit, sich leicht zu bewegen, stark erhöht wird. Dieser Effekt wurde durch die Anregung von Lichtphotonen erreicht. Die Messergebnisse zeigten zudem, dass dieser Effekt über einen Zeitraum von sechs Monaten sehr stabil ist.
Und nun?
Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um genau zu verstehen, was den einzigartigen photoelektrischen Effekt verursacht, der in der Schichtstruktur beobachtet wird. Dr. Bhatnagar ist jedoch davon überzeugt, dass das Potenzial dieses neuen Konzepts genutzt werden kann, um kommende Solarmodule zu revolutionieren: Diese Schichtstruktur zeigt in allen Temperaturbereichen eine überlegene Leistung im Vergleich zu reinen Ferroelektrika. Darüber hinaus sind die verwendeten Kristalle deutlich langlebiger und erfordern keine spezielle Verpackung.
Sollte sich dies bestätigen, wäre die außergewöhnliche Fähigkeit neuer Solarzellen, die auf diesem neuen System basieren, Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln, eine echte Revolution in der Welt PVund erneuerbare Energien im Allgemeinen. Lasst uns alles überqueren, was überquerbar ist!
