Licht manipulieren, um die Solarleistung zu verdoppeln

Die meisten Sonnenkollektoren wandeln weniger als 20 Prozent der Energie des auf sie einfallenden Sonnenlichts in Strom um. Ein neues 2,4-Millionen-Dollar-Projekt, das von der US-amerikanischen Advanced Research Projects Agency for Energy finanziert wird, zielt darauf ab, die Menge an Sonnenlicht, die in Strom umgewandelt wird, stark zu erhöhen. Ihr Ziel ist ein Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 50 Prozent, was die Strommenge, die ein Solarpanel einer bestimmten Größe erzeugt, mehr als verdoppeln würde. Dies würde die Anzahl der benötigten Sonnenkollektoren halbieren und die Solarenergie möglicherweise wettbewerbsfähiger gegenüber fossilen Brennstoffen machen.

Harry Atwater, Professor für angewandte Physik und Materialwissenschaften am Caltech, will in der neuen Forschungsarbeit das Sonnenlicht mit Hilfe von präzise strukturierten Materialien in acht bis zehn verschiedene Farben sortieren und diese auf Solarzellen mit perfekt auf jede Farbe abgestimmten Halbleitern lenken . Infolgedessen wird ein größerer Teil des Sonnenspektrums absorbiert und die in jedem Abschnitt des Spektrums enthaltene Energie wird hauptsächlich in Elektrizität und nicht in Wärme umgewandelt.

Die allgemeine Idee, Sonnenlicht nach Farben zu sortieren, ist nicht neu. Ein Ansatz besteht darin, mehrere Halbleitermaterialien in einem Stapel wachsen zu lassen – Licht bewegt sich durch den Stapel, bis es von einem Halbleiter absorbiert wird, der es effizient umwandeln kann. Dieser Ansatz hat kommerzielle Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 43 Prozent hervorgebracht. Aber das Verfahren zur Herstellung solcher Solarzellen ist teuer, und die Leistungsabgabe der Vorrichtung wird durch die Schicht mit der schlechtesten Leistung begrenzt.



Andere haben versucht, Licht mit herkömmlichen Linsen, Spiegeln und Filtern in verschiedene Farben zu sortieren, aber die Prototypen waren sperrig und erreichten keine sehr hohen Wirkungsgrade, teilweise wegen der Ungenauigkeit der Optik – es erwies sich als schwierig, genau das richtige zu lenken Wellenlängen des Lichts zu jeder Solarzelle. Es war auch schwierig, das Licht in mehr als ein paar verschiedenen Farben in einem Gerät aufzuteilen.

In den letzten Jahren sind Wissenschaftler jedoch besser darin geworden, Licht in sehr kleinem Maßstab zu manipulieren, es nach Farbe zu sortieren, es einzufangen und es von einem Punkt zum anderen zu leiten, indem dünne Materialschichten verwendet werden, die winzige Merkmale enthalten, die oft kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Atwater plant, diese Fortschritte zu nutzen, um Licht präzise und in einem kompakten flachen Gehäuse zu manipulieren, das möglicherweise nicht viel anders aussieht als ein herkömmliches Solarmodul. Eine Schicht würde das Licht aufteilen, es nach Farbe sortieren und es dann an eine zweite Schicht liefern, die eine Reihe von Solarzellen enthält, die auf jede Farbe abgestimmt sind.

Die Herausforderung bei diesem Ansatz besteht darin, dass niemand diese genau strukturierten Materialien auf den großen Flächen und in den großen Mengen herstellt, die in der Solarindustrie benötigt werden. Atwater vergleicht das Gerät jedoch mit einem Flachbildfernseher, der mit seinen Millionen von Transistoren zum Ein- und Ausschalten verschiedenfarbiger Pixel selbst ein ausgeklügeltes Gerät zur Lichtmanipulation ist.

Die ersten, die herauskamen, waren viele tausend Dollar und hatten Mängel. Jetzt können Sie einen für weniger als hundert Dollar bekommen, der im Wesentlichen perfekt ist, und die Kosten sinken ständig, sagt er. Flachdisplays sind ein Beispiel für etwas, das in der Größenordnung eines Solarpanels liegt, aber unglaublich komplexe optoelektronische Schaltungen sind. Was wir vorschlagen, ist nach diesem Standard primitiv.

Atwater sagt, dass die Herstellungswerkzeuge, die zur Herstellung seiner nanostrukturierten Materialien erforderlich sind, auf den Markt kommen. Sie werden jedoch teuer bleiben, solange die Produktionsmengen gering sind. Die Forscher nähern sich auch der Möglichkeit, dünne Wafer aus verschiedenen Halbleitern herzustellen und sie auf ein Gerät wie das von ihm vorgestellte zu übertragen.

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