Photovoltaik-Zelle der dritten Generation

Photovoltaik-Zellen der dritten Generation sind Solarzellen, die potenziell die Shockley-Queisser-Grenze von 31-41% Leistungseffizienz für Single-Bandgap-Solarzellen überwinden können. Dies umfasst eine Reihe von Alternativen zu Zellen aus halbleitenden pn-Übergängen („erste Generation“) und Dünnschichtzellen („zweite Generation“). Gewöhnliche Systeme der dritten Generation umfassen Mehrschicht- („Tandem-„) Zellen aus amorphem Silizium oder Galliumarsenid, während theoretischere Entwicklungen die Frequenzumwandlung beinhalten (dh die Lichtfrequenzen ändern, die die Zelle nicht verwenden kann, um Frequenzen zu beleuchten, die die Zelle kann Verwendung – wodurch mehr Leistung erzeugt wird), Hot-Carrier-Effekte und andere Mehrfachträger-Ausstoßtechniken.

Die aufkommende Photovoltaik umfasst:

Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid-Solarzelle (CZTS) und Derivate CZTSe und CZTSSe
Farbstoffsensibilisierte Solarzelle, auch „Grätzelzelle“ genannt
Organische Solarzelle
Perowskit-Solarzelle
Quantenpunkt-Solarzelle

Vor allem die Errungenschaften in der Erforschung von Perowskit-Zellen fanden in der Öffentlichkeit große Beachtung, da ihre Forschungseffizienz in letzter Zeit auf über 20 Prozent gestiegen ist. Sie bieten auch ein breites Spektrum an kostengünstigen Anwendungen. Eine weitere neue Technologie, die Konzentrator-Photovoltaik (CPV), verwendet hocheffiziente Mehrfachsolarzellen in Kombination mit optischen Linsen und einem Tracking-System.

Technologien
Solarzellen können als sichtbare Lichtgegenstücke zu Radioempfängern betrachtet werden. Ein Empfänger besteht aus drei grundlegenden Teilen; eine Antenne, die die Radiowellen (Licht) in wellenartige Bewegungen von Elektronen in dem Antennenmaterial umwandelt, ein elektronisches Ventil, das die Elektronen abfängt, wenn sie vom Ende der Antenne abspringen, und einen Tuner, der Elektronen einer ausgewählten Frequenz verstärkt. Es ist möglich, eine Solarzelle zu bauen, die mit einem Radio identisch ist, ein System, das als optische Rectenna bekannt ist, aber bis heute war dies nicht praktikabel.

Der Großteil des Solarmarktes besteht aus siliziumbasierten Geräten. In Siliziumzellen fungiert das Silizium sowohl als Antenne (oder Elektronendonor, technisch) als auch als Elektronenventil. Silizium ist weit verbreitet, relativ preiswert und hat eine Bandlücke, die ideal für die Sonnenkollektion ist. Auf der anderen Seite ist es energetisch und wirtschaftlich teuer, Silicium in großen Mengen herzustellen, und es wurden große Anstrengungen unternommen, um die erforderliche Menge zu reduzieren. Darüber hinaus ist es mechanisch zerbrechlich, was typischerweise erfordert, dass eine Platte aus starkem Glas als mechanische Unterstützung und Schutz vor den Elementen verwendet wird. Das Glas allein ist ein wesentlicher Teil der Kosten eines typischen Solarmoduls.

Gemäß der Shockley-Queisser-Grenze beruht der Großteil der theoretischen Effizienz einer Zelle auf dem Energieunterschied zwischen der Bandlücke und dem Sonnenphoton. Jedes Photon mit mehr Energie als die Bandlücke kann eine Photoanregung verursachen, aber jede Energie oberhalb der Bandlückenenergie geht verloren. Betrachten Sie das Sonnenspektrum; Nur ein kleiner Teil des Lichtes, das den Boden erreicht, ist blau, aber diese Photonen haben dreimal die Energie von rotem Licht. Die Bandlücke von Silizium beträgt 1,1 eV, etwa die von rotem Licht, so dass in diesem Fall die Energie von blauem Licht in einer Siliziumzelle verloren geht. Wenn die Bandlücke höher gestimmt ist, sagen wir nach blau, wird diese Energie nun eingefangen, aber nur auf Kosten der Ablehnung von Photonen mit niedrigerer Energie.

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Es ist möglich, eine Single-Junction-Zelle durch Stapeln dünner Materialschichten mit unterschiedlichen Bandlücken übereinander zu verbessern – die „Tandem-Zelle“ oder „Multi-Junction“ -Ansatz. Herkömmliche Silizium-Präparationsmethoden eignen sich nicht für diesen Ansatz. Dünnschichten aus amorphem Silizium wurden stattdessen verwendet, insbesondere Uni-Solar-Produkte, aber andere Probleme haben verhindert, dass diese die Leistung traditioneller Zellen erreichen. Die meisten Tandem-Zellen-Strukturen basieren auf leistungsfähigeren Halbleitern, insbesondere Galliumarsenid (GaAs). Dreischichtige GaAs-Zellen erreichten 41,6% Effizienz für experimentelle Beispiele. Im September 2013 erreichte eine vierschichtige Zelle eine Effizienz von 44,7 Prozent.

Numerische Analysen zeigen, dass die „perfekte“ einlagige Solarzelle eine Bandlücke von 1.13 eV, fast genau die von Silizium haben sollte. Solch eine Zelle kann eine maximale theoretische Leistungsumwandlungseffizienz von 33,7% haben – die Solarenergie unter Rot (im Infraroten) geht verloren, und die zusätzliche Energie der höheren Farben geht ebenfalls verloren. Für eine Zweischichtzelle sollte eine Schicht auf 1,64 eV und die andere auf 0,94 eV abgestimmt sein, mit einer theoretischen Leistung von 44%. Eine dreischichtige Zelle sollte auf 1,83, 1,16 und 0,71 eV mit einer Effizienz von 48% abgestimmt werden. Eine theoretische „Infinity-Layer“ -Zelle hätte eine theoretische Effizienz von 68,2% für diffuses Licht.

Während sich die neu entdeckten Solartechnologien um die Nanotechnologie drehen, werden derzeit verschiedene Materialmethoden eingesetzt.

Das Label der dritten Generation umfasst mehrere Technologien, umfasst jedoch auch Nicht-Halbleitertechnologien (einschließlich Polymere und Bionik), Quantenpunkt-, Tandem- / Multi-Junction-Zellen, Zwischenband-Solarzellen, Hot-Carrier-Zellen, Photon-Upconversion- und Downconversion-Technologien sowie Solar Thermische Technologien wie die Thermophotonik, eine Technologie, die von Green als dritte Generation bezeichnet wird.

Es beinhaltet auch:

Silizium-Nanostrukturen
Änderung des Einfallsspektrums (Konzentration), um 300-500 Sonnen und Wirkungsgrade von 32% zu erreichen (bereits erreicht in Sol 3g Zellen) bis + 50%.
Verwendung von überschüssiger Wärmeerzeugung (verursacht durch UV-Licht), um die Spannungen oder die Trägersammlung zu verbessern.
Nutzung des Infrarotspektrums zur Stromerzeugung in der Nacht.

Vierte Generation: Hybrid
Die nächste Generation von Solarzellen basiert auf anorganisch-in-organischen Materialien und bietet eine verbesserte Energieumwandlungseffizienz im Vergleich zu den derzeitigen Solarzellen der dritten Generation (3Gen), während die Basiskosten erhöht werden. Sie kombinieren – innerhalb derselben Schicht – die niedrigen Kosten und die Flexibilität leitfähiger Polymerfilme (organisch) mit der Stabilität der Lebensdauer der Nanostrukturen (anorganisch) und nutzen die Eigenschaften dieser neuen hybriden aktiven Materialien (organisch / anorganisch) für Performance jenseits von 3Gen-Geräten.

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