Derzeit gibt es viele Forschungsgruppen im Bereich der Photovoltaik in Universitäten und Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt. Diese Forschung kann in drei Bereiche unterteilt werden: die Herstellung von Solarzellen aus der aktuellen Technologie wird billiger und / oder effizienter, um effektiv mit anderen Energiequellen zu konkurrieren; Entwicklung neuer Technologien auf der Grundlage neuer Architekturen für Solarzellen; und Entwicklung neuer Materialien, die als effizientere Energiewandler von Lichtenergie in elektrische Ströme oder Lichtabsorber und Ladungsträger dienen.

Silizium-Verarbeitung
Eine Möglichkeit, die Kosten zu senken, besteht darin, billigere Verfahren zum Erhalten von ausreichend reinem Silicium zu entwickeln. Silizium ist ein sehr häufiges Element, wird aber normalerweise in Siliziumdioxid oder Quarzsand gebunden. Die Verarbeitung von Siliziumdioxid (SiO2) zur Herstellung von Silizium ist ein Prozess mit sehr hoher Energie – bei derzeitigen Wirkungsgraden dauert es ein bis zwei Jahre, bis eine herkömmliche Solarzelle so viel Energie erzeugt, wie für die Herstellung des darin enthaltenen Siliziums verwendet wurde. Energieeffizientere Synthesemethoden sind nicht nur für die Solarindustrie von Vorteil, sondern auch für die Industrie rund um die Siliziumtechnologie.

Die derzeitige industrielle Produktion von Silicium erfolgt über die Reaktion zwischen Kohlenstoff (Kohle) und Siliciumdioxid bei einer Temperatur um 1700 ° C. Bei diesem als carbothermische Reduktion bekannten Prozess wird jede Tonne Silizium (metallurgische Qualität, ca. 98% Reinheit) mit einer Emission von ca. 1,5 Tonnen Kohlendioxid erzeugt.

Festes Siliciumdioxid kann durch Elektrolyse in einem geschmolzenen Salzbad bei einer ziemlich milden Temperatur (800 bis 900 ° C) direkt in reines Silicium umgewandelt (reduziert) werden. Dieses neue Verfahren ist im Prinzip das gleiche wie das FFC Cambridge-Verfahren, das Ende 1996 erstmals entdeckt wurde. Die interessante labortechnische Erkenntnis ist jedoch, dass solches elektrolytisches Silizium in Form von porösem Silizium vorliegt, das leicht zu einem feinen Pulver mit einer Partikelgröße wird von einigen Mikrometern und kann daher neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Solarzellen-Technologien bieten.

Ein anderer Ansatz ist es auch, die Menge an verwendetem Silizium und damit die Kosten zu reduzieren, indem Wafer in sehr dünne, praktisch transparente Schichten mikrobearbeitet werden, die als transparente architektonische Abdeckungen verwendet werden können. Bei dieser Technik wird ein Siliziumwafer, typischerweise 1 bis 2 mm dick, und eine Vielzahl von parallelen, quer verlaufenden Scheiben über den Wafer gezogen, wodurch eine große Anzahl von Faserbändern mit einer Dicke von 50 Mikrometern und einer Breite gleich der Dicke des Wafers erzeugt wird Originalwafer. Diese Scheiben sind um 90 Grad gedreht, so dass die Oberflächen, die den Flächen des ursprünglichen Wafers entsprechen, zu den Kanten der Faserbänder werden. Das Ergebnis besteht darin, beispielsweise einen Wafer mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Dicke von 2 mm mit einer freiliegenden Siliziumoberfläche von etwa 175 cm² pro Seite in etwa 1000 Faserbänder mit Abmessungen von 100 mm x 2 mm x 0,1 mm umzuwandeln exponierte Siliziumoberfläche von ca. 2000 cm2 pro Seite. Infolge dieser Drehung befinden sich die elektrische Dotierung und die Kontakte, die sich auf der Oberfläche des Wafers befanden, eher an den Kanten des Faserbandes als an der Vorder- und Rückseite, wie es bei herkömmlichen Waferzellen der Fall ist. Dies hat den interessanten Effekt, die Zelle sowohl von der Vorder- als auch von der Rückseite der Zelle empfindlich zu machen (eine Eigenschaft, die als Bifazialität bekannt ist). Unter Verwendung dieser Technik ist ein Siliziumwafer ausreichend, um ein 140-Watt-Panel zu bauen, verglichen mit etwa 60 Wafern, die für herkömmliche Module mit der gleichen Ausgangsleistung benötigt werden.

Nanokristalline Solarzellen
Diese Strukturen verwenden einige der gleichen lichtabsorbierenden Dünnfilmmaterialien, sind jedoch als extrem dünner Absorber auf einer Trägermatrix aus leitfähigem Polymer oder mesoporösem Metalloxid mit einer sehr großen Oberfläche angeordnet, um interne Reflexionen zu erhöhen (und somit die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen) Lichtabsorption). Die Verwendung von Nanokristallen ermöglicht es, Architekturen auf der Längenskala von Nanometern, der typischen Exzitonendiffusionslänge, zu entwerfen. Insbesondere Einzel-Nanokristall („channel“) – Vorrichtungen, eine Anordnung von einzelnen p-n-Übergängen zwischen den Elektroden und durch eine Periode von etwa einer Diffusionslänge getrennt, repräsentieren eine neue Architektur für Solarzellen und potentiell hohe Effizienz.

Dünnschicht-Verarbeitung
Dünnschichtsolarzellen können weniger als 1% des teuren Rohmaterials (Silizium oder andere Lichtabsorber) im Vergleich zu Wafer-basierten Solarzellen verbrauchen, was zu einem signifikanten Preisrückgang pro Watt-Peak-Kapazität führt. Es gibt viele Forschungsgruppen auf der ganzen Welt, die aktiv verschiedene Dünnfilm-Ansätze und / oder -Materialien erforschen.

Eine besonders vielversprechende Technologie sind kristalline Silizium-Dünnschichten auf Glassubstraten. Diese Technologie kombiniert die Vorteile von kristallinem Silizium als Solarzellenmaterial (Häufigkeit, Ungiftigkeit, hohe Effizienz, Langzeitstabilität) mit den Kosteneinsparungen bei der Verwendung eines Dünnfilm-Ansatzes.

Ein weiterer interessanter Aspekt von Dünnschichtsolarzellen ist die Möglichkeit, die Zellen auf allen Arten von Materialien zu lagern, einschließlich flexibler Substrate (z. B. PET), was eine neue Dimension für neue Anwendungen eröffnet.

Metamorphe Mehrfachsolarzelle
Im Dezember 2014 wurde der Weltrekord für Solarzellenwirkungsgrad bei 46% durch den Einsatz von Mehrfachkonzentrator-Solarzellen erreicht, die aus der Zusammenarbeit von Soitec, CEA-Leti, Frankreich, und dem Fraunhofer ISE, Deutschland, entwickelt wurden.

Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) gewann eines der R & D Magazine des R & D Magazine für seine Metamorphic Multijunction Photovoltaikzelle, eine ultraleichte und flexible Zelle, die Solarenergie mit Rekord-Effizienz umwandelt.

Die ultraleichte, hocheffiziente Solarzelle wurde am NREL entwickelt und wird von der Emcore Corp. in Albuquerque, N.M., in Zusammenarbeit mit der Air Force Research Laboratories Raumfahrtfahrzeuge der Kirtland Air Force Base in Albuquerque vermarktet.

Es repräsentiert eine neue Klasse von Solarzellen mit klaren Vorteilen in Leistung, Konstruktion, Betrieb und Kosten. Herkömmliche Zellen weisen seit Jahrzehnten Wafer aus halbleitenden Materialien mit ähnlicher kristalliner Struktur auf. Ihre Leistung und Kosteneffizienz wird durch das Wachstum der Zellen in einer aufrechten Konfiguration eingeschränkt. Unterdessen sind die Zellen starr, schwer und dick mit einer Bodenschicht aus Germanium.

Bei der neuen Methode wird die Zelle auf den Kopf gestellt. Diese Schichten verwenden hochenergetische Materialien mit extrem hochwertigen Kristallen, insbesondere in den oberen Schichten der Zelle, in denen die meiste Energie erzeugt wird. Nicht alle Schichten folgen dem Gittermuster mit atomarem Abstand. Stattdessen enthält die Zelle einen vollständigen Bereich des Atomabstandes, der eine größere Absorption und Nutzung des Sonnenlichts ermöglicht. Die dicke, steife Germaniumschicht wird entfernt, wodurch die Kosten der Zelle und 94% ihres Gewichts reduziert werden. Indem der konventionelle Ansatz für Zellen auf den Kopf gestellt wird, ist das Ergebnis eine ultraleichte und flexible Zelle, die auch Sonnenenergie mit Rekord-Effizienz umwandelt (40,8% unter 326 Sonnenkonzentration).

Polymerverarbeitung
Die Erfindung von leitfähigen Polymeren (für die Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid und Hideki Shirakawa mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wurden) könnte zur Entwicklung viel billigerer Zellen führen, die auf billigen Kunststoffen basieren. Organische Solarzellen leiden jedoch im Allgemeinen unter einer Degradation bei Einwirkung von UV-Licht und haben daher Lebensdauern, die viel zu kurz sind, um lebensfähig zu sein. Die Bindungen in den Polymeren sind immer anfällig für eine Unterbrechung bei Bestrahlung mit kürzeren Wellenlängen. Außerdem reagieren die konjugierten Doppelbindungssysteme in den Polymeren, die die Ladung tragen, leichter mit Licht und Sauerstoff. Daher sind die meisten leitfähigen Polymere, die hochgradig ungesättigt und reaktiv sind, sehr empfindlich gegenüber atmosphärischer Feuchtigkeit und Oxidation, was kommerzielle Anwendungen schwierig macht.

Nanopartikelverarbeitung
Experimentelle Nicht-Silizium-Solarmodule können aus Quantenheterostrukturen hergestellt werden, z. Kohlenstoff-Nanoröhren oder Quantenpunkte, eingebettet in leitfähige Polymere oder mesoporöse Metalloxide. Außerdem können dünne Filme vieler dieser Materialien auf herkömmlichen Siliziumsolarzellen die optische Kopplungseffizienz in die Siliziumzelle erhöhen, wodurch die Gesamteffizienz erhöht wird. Durch Variieren der Größe der Quantenpunkte können die Zellen abgestimmt werden, um verschiedene Wellenlängen zu absorbieren. Obwohl die Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, könnte Quantenpunkt-modifizierte Photovoltaik aufgrund der multiplen Exzitonengeneration (MEG) eine Energieumwandlungseffizienz von bis zu 42% erreichen.

MIT-Forscher haben einen Weg gefunden, mit einem Virus die Effizienz von Solarzellen um ein Drittel zu verbessern.

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Transparente Leiter
Viele neue Solarzellen verwenden transparente dünne Filme, die auch elektrische Ladungen leiten. Die dominierenden leitenden Dünnschichten, die in der Forschung verwendet werden, sind transparente leitfähige Oxide (abgekürzt „TCO“) und umfassen mit Fluor dotiertes Zinnoxid (SnO 2: F oder „FTO“), dotiertes Zinkoxid (z. B. ZnO: Al) und Indiumzinnoxid (abgekürzt „ITO“). Diese leitfähigen Filme werden auch in der LCD-Industrie für Flachbildschirme verwendet. Die Doppelfunktion eines TCO ermöglicht, dass Licht durch ein Substratfenster zu dem darunter liegenden aktiven Licht absorbierenden Material hindurch tritt und dient auch als ein ohmscher Kontakt, um photogenerierte Ladungsträger von diesem Licht absorbierenden Material weg zu transportieren. Die vorliegenden TCO-Materialien sind für die Forschung wirksam, sind aber möglicherweise noch nicht für eine großtechnische Photovoltaik-Produktion optimiert. Sie erfordern sehr spezielle Abscheidungsbedingungen bei hohem Vakuum, sie können manchmal unter einer schlechten mechanischen Festigkeit leiden und die meisten weisen eine schlechte Durchlässigkeit im Infrarotbereich des Spektrums auf (z.B. können ITO-Dünnschichten auch als Infrarotfilter in Flugzeugfenstern verwendet werden). Diese Faktoren machen die Herstellung in großem Maßstab teurer.

Ein relativ neues Gebiet ist mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Netzwerken als transparenter Leiter für organische Solarzellen entstanden. Nanoröhren-Netzwerke sind flexibel und können auf Oberflächen auf verschiedene Arten abgeschieden werden. Mit einer gewissen Behandlung können Nanoröhrenfilme im Infrarotbereich hochtransparent sein, was möglicherweise effiziente Solarzellen mit geringem Bandabstand ermöglicht. Nanoröhren-Netzwerke sind p-Typ-Leiter, wohingegen traditionelle transparente Leiter ausschließlich vom n-Typ sind. Die Verfügbarkeit eines transparenten Leiters vom p-Typ könnte zu neuen Zelldesigns führen, die die Herstellung vereinfachen und die Effizienz verbessern.

Silizium-Wafer-basierte Solarzellen
Trotz der zahlreichen Versuche, mit neuen und exotischen Materialien bessere Solarzellen herzustellen, wird der Photovoltaikmarkt immer noch von Silizium-Wafer-basierten Solarzellen (Solarzellen der ersten Generation) dominiert. Dies bedeutet, dass die meisten Solarzellenhersteller derzeit für die Herstellung dieser Art von Solarzellen ausgerüstet sind. Folglich wird auf der ganzen Welt ein großer Teil der Forschung betrieben, um Solarzellen auf der Basis von Siliciumwafern zu geringeren Kosten herzustellen und die Umwandlungseffizienzen ohne einen exorbitanten Anstieg der Produktionskosten zu erhöhen. Das ultimative Ziel für sowohl Wafer-basierte als auch alternative Photovoltaik-Konzepte ist es, Solarstrom zu Kosten zu erzeugen, die mit der derzeit marktbeherrschenden Kohle-, Erdgas- und Kernkraft vergleichbar sind, um ihn zur führenden Primärenergiequelle zu machen. Um dies zu erreichen, kann es erforderlich sein, die Kosten installierter Solarsysteme von derzeit etwa 1,80 US-Dollar (für Bulk-Si-Technologien) auf etwa 0,50 US-Dollar pro Watt Spitzenleistung zu senken. Da ein großer Teil der Endkosten eines traditionellen Bulk-Siliziummoduls mit den hohen Kosten von Solarsilizium-Ausgangsmaterial (etwa 0,4 US-Dollar pro Watt) zusammenhängt, gibt es erhebliche Bemühungen, Si-Solarzellen dünner zu machen (Materialeinsparungen) oder herzustellen Solarzellen aus billigerem metallurgischem Silizium (sogenanntes „Dirty Si“).

IBM hat einen Halbleiterwafer-Rückgewinnungsprozess, der eine spezielle Musterentfernungstechnik verwendet, um Halbleiter-Wafer in eine Form umzuwandeln, die zur Herstellung von Solarzellen auf Siliziumbasis verwendet wird. Der neue Prozess wurde kürzlich vom „National Pollution Prevention Roundtable“ (NPPR) mit dem „2007 Most Valuable Pollution Prevention Award“ ausgezeichnet.

Infrarot-Solarzellen
Forscher am Idaho National Laboratory haben zusammen mit Partnern bei Lightwave Power Inc. in Cambridge, MA, und Patrick Pinhero von der Universität von Missouri eine kostengünstige Methode zur Herstellung von Milliarden Milliarden Nanoantennen entwickelt, die Wärmeenergie sammeln, die von der Sonne und anderen erzeugt wird Quellen, die zwei Nano50 Awards 2007 erhalten haben. Das Unternehmen hat den Betrieb im Jahr 2010 eingestellt. Es müssen zwar noch Methoden entwickelt werden, um die Energie in nutzbaren Strom umzuwandeln, aber die Bleche könnten eines Tages als leichte „Skins“ hergestellt werden, die von Hybridautos bis hin zu Computern und iPods mit höherer Effizienz als herkömmliches Solarsystem betrieben werden Zellen. Die Nanoantennen zielen auf Mittelinfrarotstrahlen, die die Erde kontinuierlich abstrahlt, nachdem sie tagsüber Energie von der Sonne absorbiert hat; Auch doppelseitige Nanoantennenplatten können Energie aus verschiedenen Teilen des Sonnenspektrums gewinnen. Im Gegensatz dazu können herkömmliche Solarzellen nur sichtbares Licht verwenden, so dass sie nach Einbruch der Dunkelheit untätig sind.

UV-Solarzellen
Japans nationales Institut für fortgeschrittene industrielle Wissenschaft und Technologie (AIST) ist es gelungen, eine transparente Solarzelle zu entwickeln, die ultraviolettes (UV) Licht zur Erzeugung von Elektrizität nutzt, aber sichtbares Licht durchlässt. Die meisten konventionellen Solarzellen verwenden sichtbares und infrarotes Licht, um Elektrizität zu erzeugen. Als Ersatz für herkömmliches Fensterglas könnte die Installationsfläche groß sein und zu potenziellen Nutzungen führen, die die kombinierten Funktionen der Stromerzeugung, Beleuchtung und Temperaturregelung nutzen.

Dieses transparente, UV-absorbierende System wurde unter Verwendung einer organisch-anorganischen Heterostruktur aus dem PEDOT: PSS-Film des halbleitenden Polymers vom p-Typ, abgeschieden auf einem Nb-dotierten Strontiumtitanat-Substrat, erhalten. PEDOT: PSS wird aufgrund seiner Stabilität in Luft und seiner Löslichkeit in Wasser leicht zu dünnen Filmen verarbeitet. Diese Solarzellen werden nur im UV-Bereich aktiviert und führen zu einer relativ hohen Quantenausbeute von 16% Elektron / Photon. Zukünftige Arbeiten in dieser Technologie umfassen das Ersetzen des Strontiumtitanatsubstrats durch einen Strontiumtitanatfilm, der auf einem Glassubstrat abgeschieden ist, um eine kostengünstige großflächige Herstellung zu erreichen.

Seither wurden andere Methoden entdeckt, um die UV-Wellenlängen in die Solarzellen-Energieerzeugung einzubeziehen. Einige Unternehmen berichten, Nanophosphore als transparente Beschichtung zu verwenden, um UV-Licht in sichtbares Licht umzuwandeln. Andere haben berichtet, dass der Absorptionsbereich von photovoltaischen Zellen mit einem Übergang erweitert wird, indem ein transparenter Halbleiter mit großer Bandlücke, wie GaN, mit einem Übergangsmetall wie Mangan dotiert wird.

Flexible Solarzellenforschung
Flexible Solarzellenforschung ist eine Technologie auf Forschungsebene, ein Beispiel wurde am Massachusetts Institute of Technology geschaffen, in der Solarzellen durch Abscheiden von photovoltaischem Material auf flexiblen Substraten, wie gewöhnlichem Papier, unter Verwendung der chemischen Gasphasenabscheidungstechnologie hergestellt werden. Die Technologie zur Herstellung von Solarzellen auf Papier wurde von einer Gruppe von Forschern des Massachusetts Institute of Technology mit Unterstützung der National Science Foundation und des Environmental Frontiers-Programms der Eni-MIT entwickelt.

3D-Solarzellen
Dreidimensionale Solarzellen, die fast das gesamte auftreffende Licht erfassen und die Effizienz von Photovoltaikanlagen steigern und gleichzeitig ihre Größe, ihr Gewicht und ihre mechanische Komplexität reduzieren können. Die neuen 3D-Solarzellen, die am Georgia Tech Research Institute geschaffen wurden, fangen Photonen aus dem Sonnenlicht mithilfe einer Reihe von Miniatur- „Turm“ -Strukturen ein, die Hochhäusern in einem städtischen Straßennetz ähneln. Solar3D, Inc. plant, solche 3D-Zellen zu kommerzialisieren, aber seine Technologie ist derzeit zum Patent angemeldet.

Lumineszierender Solarkonzentrator
Lumineszierende Solarkonzentratoren wandeln Sonnenlicht oder andere Lichtquellen in bevorzugte Frequenzen um; Sie konzentrieren den Output zur Umwandlung in wünschenswerte Energieformen wie Elektrizität. Sie beruhen auf Lumineszenz, typischerweise Fluoreszenz, in Medien wie Flüssigkeiten, Gläsern oder Kunststoffen, die mit einer geeigneten Beschichtung oder einem geeigneten Dotierungsmittel behandelt sind. Die Strukturen sind so konfiguriert, dass sie die Ausgabe von einem großen Eingabebereich auf einen kleinen Konverter lenken, wo die konzentrierte Energie Photoelektrizität erzeugt. Das Ziel ist es, Licht auf einer großen Fläche zu geringen Kosten zu sammeln; lumineszierende Konzentratorplatten können billig aus Materialien wie Gläsern oder Kunststoffen hergestellt werden, während photovoltaische Zellen hochpräzise Geräte mit hoher Technologie sind und dementsprechend teuer in großen Größen zu konstruieren sind.

An Universitäten wie der Radboud University Nijmegen und der Delft University of Technology wird derzeit geforscht. So haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology Ansätze entwickelt, um Fenster in Sonnenkollektoren zur Stromerzeugung umzuwandeln. Sie malen eine Mischung von Farbstoffen auf eine Glasscheibe oder einen Kunststoff. Die Farbstoffe absorbieren Sonnenlicht und emittieren es als Fluoreszenz innerhalb des Glases, wo es durch innere Reflexion begrenzt wird, die an den Rändern des Glases austritt, wo es auf Solarzellen trifft, die für die Umwandlung von solch konzentriertem Sonnenlicht optimiert sind. Der Konzentrationsfaktor beträgt etwa 40, und das optische Design ergibt einen Solarkonzentrator, der im Gegensatz zu Konzentratoren auf Linsenbasis nicht genau auf die Sonne gerichtet sein muss und sogar aus diffusem Licht eine Leistung erzeugen kann. Covalent Solar arbeitet an der Kommerzialisierung des Prozesses.

Metamaterialien
Metamaterialien sind heterogene Materialien, bei denen viele mikroskopische Elemente nebeneinander angeordnet sind, was zu Eigenschaften führt, die bei gewöhnlichen Festkörpern nicht auftreten. Unter Verwendung dieser kann es möglich werden, Solarzellen zu konstruieren, die ausgezeichnete Absorber über einen schmalen Wellenlängenbereich sind. Eine hohe Absorption im Mikrowellenbereich wurde nachgewiesen, jedoch noch nicht im Wellenlängenbereich von 300 bis 1100 nm.

Photovoltaik-Thermohybrid
Einige Systeme kombinieren Photovoltaik mit thermischem Solar, mit dem Vorteil, dass der thermische Solarteil die Wärme abtransportiert und die Photovoltaikzellen kühlt. Wenn die Temperatur niedrig gehalten wird, sinkt der Widerstand und die Effizienz der Zelle.

Penta-basierte Photovoltaik
Pentacen-basierte Photovoltaik soll den Wirkungsgrad auf bis zu 95% verbessern und damit die Effizienz der heute effizientesten Techniken verdoppeln.

Zwischenband
Die Zwischenbandphotovoltaik in der Solarzellenforschung bietet Methoden zur Überschreitung der Shockley-Queisser-Grenze für die Effizienz einer Zelle. Es führt ein Zwischenband (IB) -Energieniveau zwischen den Valenz- und Leitungsbändern ein. Theoretisch erlaubt das Einführen eines IB zwei Photonen mit einer Energie, die kleiner als die Bandlücke ist, ein Elektron vom Valenzband zum Leitungsband anzuregen. Dies erhöht den induzierten Photostrom und damit die Effizienz.

Luque und Marti haben zunächst ein theoretisches Limit für ein IB-Gerät mit einer mittleren Energielücke unter Verwendung eines detaillierten Gleichgewichts abgeleitet. Sie nahmen an, dass keine Träger im IB gesammelt wurden und dass das Gerät in voller Konzentration war. Sie fanden die maximale Effizienz bei 63,2% für eine Bandlücke von 1,95 eV mit dem IB von 0,71 eV entweder von der Valenz- oder Leitungsbande. Unter einer Sonnenbeleuchtung beträgt die begrenzende Effizienz 47%.

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