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Susanne Kreuzer - Wie man auch den letzten Sonnenstrahl nutzt


Improvement of solar cell efficiency in the infra-red using PbS nanocrystals


oder


Wie man auch den letzten Sonnenstrahl nutzt

Susanne Kreuzer


angefertigt am Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik

Kurzfassung PDF

Vortrag (PDF) 19,4MB

Video "Wie funktioniert eine Solarzelle?"
(von Präs. Seite 13)

Animationen (ZIP/MP4) 6,4MB

Es ist offensichtlich, dass Energie essentiell in unserem täglichen Leben und eines der wichtigesten Güter unserer Gesellschaft ist. Heutzutage braucht die Menschheit eine unvorstellbar Große Menge an Energie pro Sekunde: 17 Terawatt (TW)! Noch dazu wurde vorhergesagt, dass sich dieser Verbrauch bis zum Ende dieses Jahrhunderts mit 43 TW mehr als verdoppeln wird. Wir gewinnen diese Energie durch viele verschiedene Technologien, wobei die verbreitetste Methode immer noch die Verbrennung fossiler Rohstoffe ist. Diese Kraftwerke sind aber alles andere als umweltschonend und die meisten tragen durch ihren hohen CO2 Ausstoß zum Klimawandel bei. Außerdem wird man diese Art der Energiegewinnung nach einer gewissen Zeit nicht mehr einsetzen können, weil fossile Ressourcen nur begrenzt vorhanden sind. Die Nachteile und Gefahren einer anderen Technologie, der Nuklearkraft, sind allgemein bekannt und wurden uns nach der Katastrophe in Japan wieder um einiges bewußter. Neue, “grüne” Technolgien müssen also her, um zukünftig unsere Energie umweltschonender zu gewinnen. Glücklicherweise werden vermehrt sogenannte “erneuerbare Energieformen” eingesetzt und erforscht. Neben der Wasser- und Windkraft setzt man auf Biomasseanlagen und Erdwärme, und auch Solaranlagen in Nachbars Garten sind schon längst keine Seltenheit mehr.

Gerade die Solarenergie scheint eine wahre Schlüsseltechnologie dieses Jahrhunderts zu werden um den weltweiten Energiebedarf zu decken. Die Photovoltaik ist dabei jene alternative und saubere Energiegewinnungstechnologie mit dem größten Potential. Von der Sonne wird andauernd eine unvorstellbar große Menge an Energie in Form von Licht zur Erde ausgesandt. Die Lichtleistung ist dabei so groß, dass bereits ein kleiner Prozentsatz davon ausreichen würde um die gesamte Menschheit mit genügend Energie zu versorgen. Außerdem ist die Sonne, im Gegensatz zu den meisten anderen Ressourcen, eine unerschöpfliche Energiequelle – zumindest für die nächsten paar Milliarden Jahre.

Heutige Solarzellen werden meist aus Silizium hergestellt und sind durch jahrelange Forschung schon sehr effizient. Daher wandeln sie bereits bis zu 20% der Sonnenleistung in elektrische Leistung um. Dabei nutzen selbst die besten Silizium Zellen leider nicht die komplette Energie der Sonne, weil sie den Großteil der infraroten Sonnenstrahlen – die sogenannte Wärmestrahlung – nicht absorbieren können.

Abb.1: Strahlungsleistung der Sonne gemessen auf der Erdoberfläche. Herkömmliche Silizium Solarzellen können den Großteil der infraroten Strahlung nicht absorbieren. Mit Bleisulfid (PbS) Nanokristalle könnte mehr Lichtleistung in elektrische Leistung umgewandelt werden.

Mir ist es nun in meiner Diplomarbeit gelungen, auch einen Teil dieser Strahlung photovoltaisch zu nutzen. Dazu forschte ich an Schichten aus Bleisulfid Nanokristallen, kaum größer als ein Hunderttausendstel eines Sandkorns. Die optischen Eigenschaften der Bleisulfid Schichten können nämlich durch die Größe der verwendeten Nanokristalle verändert werden: Je größer die Kristalle sind, um so mehr Anteile der infraroten Wärmestrahlung können sie absorbieren, wohingegen kleinere Kristalle hauptsächlich den sichtbaren Bereich des Sonnenlichts nutzen. Ich untersuchte daher in meiner Diplomarbeit Schichten aus großen, infrarot-aktiven Nanokristallen, die jene Sonnenstrahlen absorbieren, die mit herkömmlichen Solarzellen nicht genutzt werden.

Da Silizium Solarzellen für Wärmestrahlung praktisch durchlässig sind, könnten Schichten der Bleisulfid Nanokristalle auf der Rückseite von herkömmlichen Solarzellen eingesetzt werden um auch den infraroten Anteil der Sonnenleistung zu nutzen. Dadurch könnte man die Effizienz von zukünftigen Solarzellen sehr kostengünstig steigern, da man so einen größeren Teil des Sonnenspektrums nutzen kann.

Abb.2: Infrarot-aktiver Nanokristall aus Blei (orange) und Schwefel (blau) Atomen, umgeben von schützenden Ölsäure Liganden. Die Nanokristalle weisen größenabhängige optische Eigenschaften auf. Während Nanokristalle mit kleinem Durchmesser nur den sichtbaren Bereich des Lichts absorbieren können, sind große Kristalle auch noch im Infraroten aktiv (nach Moreels et al. 2011).

Neben der Optimierung der Schichtdicke untersuchte ich verschiedene Herstellungsmethoden der Solarzellen. Im einfachsten Fall werden die in einer Flüssigkeit fein verteilten Bleisulfid Nanokristalle einfach aufgetropft. Außerdem erforschte ich den Einfluss verschiedener organischer Verbindungsmoleküle zwischen den Nanokristallen – sogenannte “Liganden”. Diese spielen beim Stromtransport in den aktiven Schichten eine wichtige Rolle und beeinflussen somit die Effizienz der Beschichtungen. Die Leistung der Bleisulfid Zellen konnte so zum Beispiel stark verbessert werden, indem die ursprünglichen Liganden, die die Nanokristalle umgeben und schützen, gegen kürzere ausgetauscht wurden. Zusätzlich habe ich auch die Stabilität und Lebensdauer der Zellen an Sauerstoff untersucht. Dies wird wohl in Zukunft eine der größten Herausforderung darstellen, da gerade infrarot-aktive Nanokristalle sehr leicht oxidieren, was die Effizienz der Beschichtungen stark schwächt.

Abb.3: Photostrommessung einer PbS Zelle an Luft. Sobald die Schicht nach 2.5 s beleuchtet wird, liefert sie einen Strom. Der Strom jEQ, der sich nach kurzem einstellt, sinkt stetig mit der Zeit da die Kristalle oxidieren. Nachdem die Beleuchtung bei Sekunden 15 abgeschaltet wird verschwindet der Photostrom wieder, wobei die Ausschaltkurve des Stroms jAus ein Zeichen für Oxidation ist.

Bislang ist der Wirkungsgrad der ersten Zellen recht bescheiden. Aber jedenfalls konnte ich mit meiner Diplomarbeit klar zeigen, dass die Beschichtungen prinzipiell ihren Zweck erfüllen. Bis wir die Nanokristallzellen allerdings im Einsatz sehen werden, ist noch einiges an Arbeit nötig. Obwohl die Forschung also erst in den Anfängen steckt, sind die Nanokristallschichten bereits sehr vielversprechend. In Zukunft könnten demnach infrarot-aktive Beschichtungen aus Bleisulfid Nanokristallen durch ihre vergleichsweise äußerst geringen Material- und Produktionskosten dazu beitragen saubere Sonnenenergie günstiger zu machen.

Abb.4: Anteil der Photonen die zur Stromgewinnung genutzt werden. Dabei wurden drei Schichten gemessen, bei denen die Nanokristalle mit verschiedenen Liganden umgeben waren. Die Messungsdaten für Octylamin (rot) und Butylamin (blau) Liganden wurden bereits um jeweils einen Faktor 100 und 50 vergrößert.