Wissenschaft in den Nachrichten

von Emily Kerr
Zahlen von Abagail Burrus

Die Sonne strahlt jede Sekunde genug Strom auf die Erde ab, um den gesamten menschlichen Energiebedarf für über zwei Stunden zu decken. Da es leicht verfügbar und erneuerbar ist, ist Solarenergie eine attraktive Energiequelle. Ab 2018 stammten jedoch weniger als zwei Prozent der weltweiten Energie aus Solarenergie. In der Vergangenheit war die Gewinnung von Solarenergie teuer und relativ ineffizient. Selbst dieser magere Solarverbrauch ist jedoch eine Verbesserung gegenüber den letzten zwei Jahrzehnten, da die weltweit aus Solarenergie gewonnene Strommenge von 2000 bis 2019 um das 300-fache gestiegen ist. Neue technologische Fortschritte in den letzten zwanzig Jahren haben diese zunehmende Abhängigkeit von Solarenergie durch sinkende Kosten vorangetrieben, und neue technologische Entwicklungen versprechen, diese Solarnutzung durch weitere Senkung der Kosten und Erhöhung der Effizienz von Solarmodulen zu steigern.

Solarzellen: Kosten, Herausforderungen und Design

In den letzten 20 Jahren sind die Kosten für Solarzellen, die Strukturen, die Lichtenergie in Elektrizität umwandeln können, stetig gesunken. Das National Renewable Energy Laboratory, ein Labor der US-Regierung, das die Solarzellentechnologie untersucht, schätzt die Mitwirkenden an der zunehmenden Erschwinglichkeit von Solarenergie. Sie schätzen, dass die harten Kosten, die Kosten für die physische Solarzellen-Hardware und die weichen Kosten, die Arbeit oder Kosten für die Einholung der erforderlichen behördlichen Genehmigungen umfassen, ungefähr gleich sind (Abbildung 1). Die Produktionskosten sind gesunken, weil es mehr potenzielle Verbraucher und mehr Installationsexperten für neue Solarzellen gibt, sodass Unternehmen Solarzellen in großen Mengen herstellen und einfach installieren können. Harte Kosten sind weniger als die Hälfte dessen, was sie im Jahr 2000 waren, vor allem aufgrund sinkender Materialkosten und einer erhöhten Fähigkeit der Zellen, Licht einzufangen. Die Entwicklung kostengünstigerer und effizienterer Solarzellen erforderte neben innovativem Design auch eine sorgfältige Berücksichtigung der Physik, die mit der Solarabscheidung verbunden ist.

Da Solarzellen verwendet werden, um Licht in Elektrizität umzuwandeln, müssen sie aus einem Material bestehen, das Energie aus Licht aufnehmen kann. Dieses Material kann zwischen zwei Metallplatten eingeklemmt werden, die die von der Lichtenergie aufgenommene Elektrizität dorthin transportieren, wo sie benötigt wird, wie die Lichter eines Hauses oder Maschinen einer Fabrik (Abbildung 2). Bei der Auswahl des richtigen Materials zur Erfassung von Licht wird der Unterschied zwischen zwei Energieniveaus gemessen, die als Valenzband und Leitungsband bezeichnet werden. Das niederenergetische Valenzband ist mit vielen kleinen negativ geladenen Teilchen gefüllt, die Elektronen genannt werden, aber das energiereichere Leitungsband ist größtenteils leer. Wenn Elektronen mit Lichtteilchen, Photonen genannt, getroffen werden, können sie genug Energie absorbieren, um vom niederenergetischen Leitungsband in das hochenergetische Valenzband zu springen. Einmal im Valenzband, kann die zusätzliche Energie im Elektron als Elektrizität geerntet werden. Es ist, als ob die Elektronen am Fuße eines Hügels sitzen (das Leitungsband) und von einem Photon getroffen werden, das ihnen die Energie gibt, nach oben zu springen (das Valance-Band).

Die Energiemenge, die Elektronen benötigen, um in das Valenzband zu springen, hängt von der Art des Materials ab. Im Wesentlichen variiert die Größe des metaphorischen Hügels basierend auf den Eigenschaften eines bestimmten Materials. Die Größe dieser Energielücke ist wichtig, da sie sich darauf auswirkt, wie effizient Solarzellen Licht in Strom umwandeln. Insbesondere wenn Photonen die Elektronen mit weniger Energie treffen, als das Elektron benötigt, um vom Valenzband zum Leitungsband zu springen, wird keine der Lichtenergie eingefangen. Wenn das Licht alternativ mehr Energie hat, als benötigt wird, um diese Lücke zu überwinden, fängt das Elektron genau die Energie ein, die es benötigt, und verschwendet den Rest. Beide Szenarien führen zu Ineffizienzen bei der Solarernte, was die Wahl des Solarzellenmaterials zu einem wichtigen Thema macht.

In der Vergangenheit war Silizium das beliebteste Material für Solarzellen (Abbildung 2). Ein Grund für diese Beliebtheit liegt in der Größe der Lücke zwischen den Leitungs- und Valenzbändern des Siliziums, da die Energie der meisten Lichtteilchen sehr nahe an der Energie liegt, die die Elektronen des Siliziums benötigen, um die Energielücke zu überspringen. Theoretisch könnten mit einer Siliziumsolarzelle etwa 32% der Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Dies mag nicht viel erscheinen, ist aber wesentlich effizienter als die meisten anderen Materialien. Darüber hinaus ist Silizium auch kostengünstig. Es ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde, und die Kosten für die Raffination sind seit 1980 dramatisch gesunken. Die Solarzellen- und Elektronikindustrie hat den Rückgang der Reinigungskosten vorangetrieben, da sie bessere Bulk-Reinigungstechniken gelernt haben, um die Nachfrage nach Solarzellen und Unterhaltungselektronik zu steigern.

Neben sinkenden Materialkosten bringen clevere technische Tricks die Effizienz von Siliziumsolarzellen näher an ihr theoretisches Maximum. Damit Photonen in Energie umgewandelt werden können, müssen sie zuerst mit einem Elektron kollidieren. Ein Trick, um die Wahrscheinlichkeit einer Photonen-Elektronen-Kollision zu erhöhen, besteht darin, das Silizium in Solarzellen in mikroskopisch kleinen Pyramidenformen zu strukturieren. Wenn Licht in eine Pyramide absorbiert wird, wandert es weiter und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Licht mit den Elektronen im Silizium kollidiert, bevor es aus der Zelle austritt.

In ähnlicher Weise haben Chemiker und Materialwissenschaftler Antireflexbeschichtungen entwickelt, die auf die Vorderseite von Solarzellen aufgebracht werden, um zu verhindern, dass Nutzlicht in den Weltraum zurückreflektiert wird, ohne jemals ein Elektron in der Solarzelle zu treffen. Ebenso kann durch Anbringen eines Reflektors auf der Rückseite der Solarzelle mehr Licht geerntet werden. Das Licht, das die Solarzelle erreicht und es ganz nach hinten schafft, ohne ein Elektron zu treffen, wird an die Vorderseite der Zelle zurückgeworfen, wodurch die Zelle eine weitere Chance erhält, das Licht zu sammeln.

Derzeit sinken die Kosten für Solarzellen auf Siliziumbasis weiter, und trotz gegenteiliger Vorhersagen sinken die Kosten für Silizium selbst weiter. Siliziumsolarzellen werden wahrscheinlich auch in den nächsten Jahren beliebt bleiben. Alternativen zu Silizium-Solarzellen wurden entwickelt, sind aber noch nicht weit genug, um kommerziell rentabel zu sein.

Die Zukunft der Solarzellen

Um aktuelle Solarzellen zu übertreffen, müsste ein neues Design in der Lage sein, mehr Licht einzufangen, Lichtenergie effizienter in Elektrizität umzuwandeln und / oder kostengünstiger zu bauen als aktuelle Designs. Energieerzeuger und Verbraucher sind wahrscheinlicher, Solarenergie anzunehmen, wenn die Energie, die sie produziert, gleich oder weniger teuer ist als andere, oft nicht erneuerbare, Formen der Elektrizität, so dass jede Verbesserung der aktuellen Solarzellendesigns die Gesamtkosten senken muss, um weit verbreitet zu werden.

Die erste Option, Hardware hinzuzufügen, die es den Solarzellen ermöglicht, mehr Licht einzufangen, erfordert nicht, dass wir die aktuellen Solarzellendesigns aufgeben. Mit der Solarzelle kann eine Elektronik installiert werden, mit der die Zelle die Sonne verfolgen kann, während sie sich durch den Tageshimmel bewegt. Wenn die Solarzelle immer zur Sonne zeigt, wird sie von viel mehr Photonen getroffen, als wenn sie nur gegen Mittag zur Sonne zeigen würde. Derzeit ist die Entwicklung einer Elektronik, die den Sonnenstand über mehrere Jahrzehnte hinweg zu angemessenen Kosten genau und konsistent verfolgen kann, eine ständige Herausforderung, aber die Innovation an dieser Front geht weiter. Eine Alternative zur Bewegung der Solarzelle selbst besteht darin, Spiegel zu verwenden, um das Licht auf eine kleinere und daher billigere Solarzelle zu fokussieren.

Ein weiterer Weg, um die Leistung von Solarzellen zu verbessern, besteht darin, ihre Effizienz so anzustreben, dass sie die Energie des Sonnenlichts besser in Elektrizität umwandeln können. Solarzellen mit mehr als einer Schicht lichteinfangenden Materials können mehr Photonen einfangen als Solarzellen mit nur einer einzigen Schicht. Kürzlich im Labor getestete Solarzellen mit vier Schichten können 46% der einfallenden Lichtenergie erfassen, die sie trifft. Diese Zellen sind immer noch meist zu teuer und schwierig für den kommerziellen Einsatz zu machen, aber die laufende Forschung könnte eines Tages die Implementierung dieser supereffizienten Zellen ermöglichen.

Die Alternative zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen besteht einfach darin, ihre Kosten zu senken. Obwohl die Verarbeitung von Silizium in den letzten Jahrzehnten billiger geworden ist, trägt es immer noch erheblich zu den Kosten der Solarzelleninstallation bei. Durch den Einsatz dünnerer Solarzellen sinken die Materialkosten. Diese “Dünnschichtsolarzellen” verwenden eine Materialschicht, um Lichtenergie zu ernten, die nur 2 bis 8 Mikrometer dick ist, nur etwa 1% dessen, was zur Herstellung einer herkömmlichen Solarzelle verwendet wird. Ähnlich wie Zellen mit mehreren Schichten sind Dünnschichtsolarzellen etwas schwierig herzustellen, was ihre Anwendung einschränkt, aber die Forschung ist im Gange.

In naher Zukunft dürften die Kosten für Siliziumsolarzellen weiter sinken und in großer Zahl installiert werden. In den Vereinigten Staaten wird erwartet, dass diese Kostensenkungen die produzierte Solarenergie bis 2050 um mindestens 700% steigern werden. In der Zwischenzeit wird die Forschung an alternativen Designs für effizientere und kostengünstigere Solarzellen fortgesetzt. In Jahren werden wir wahrscheinlich Alternativen zu Silizium auf unseren Solarparks und Dächern sehen, die dazu beitragen, saubere und erneuerbare Energiequellen bereitzustellen. Diese Verbesserungen wurden und werden weiterhin durch die zunehmende Massenfertigung von Solarzellen und neue Technologien ermöglicht, die die Zellen billiger und effizienter machen.

Emily Kerr, Doktorandin in Chemie und Chemischer Biologie.

Abagail Burrus ist ein Doktorand der Organismischen und Evolutionsbiologie im dritten Jahr, der die Entwicklung von Elaiophoren studiert.

Für weitere Informationen:

• Um mehr über Dünnschichtsolarzellen zu erfahren, lesen Sie diesen Artikel von MIT News
• Weitere Informationen zu den sinkenden Kosten von Solarzellen finden Sie in diesem Artikel von MIT News
• Für eine grafische Darstellung der Funktionsweise von Solarmodulen lesen Sie diesen Artikel über die Zusammensetzung und Wissenschaft von Solarmodulen

Dieser Artikel ist Teil unserer SITN20-Serie, geschrieben, um das 20-jährige Jubiläum von SITN zu feiern, indem an die bemerkenswertesten wissenschaftlichen Fortschritte der letzten zwei Jahrzehnte erinnert wird. Schauen Sie sich unsere anderen SITN20-Teile an!