12/10/2011 - Photovoltaikzellen aus Nanokabeln

Menéame

Ein Team des Berkeley Laboratory hat eine kostengünstige Technik für die Herstellung von Solarzellen mit hochwertigen Nanokabeln entwickelt, die dazu beitragen könnte, die Produktionskosten von Solarzellen zu senken und gleichzeitig die Effizienz zu erhalten.

FV Solarzellen stellen eine der besten Technologien dar, um eine völlig saubere und nahezu unerschöpfliche Energiequelle für unsere Zivilisation bereitzustellen. Damit dieser Traum Wirklichkeit werden kann, müssen sie jedoch aus billigen Elementen hergestellt werden, wobei sie eine kostengünstige chemische Umwandlung mit geringerer Energieintensität verwenden und Sonnenlicht effizient und zu Wettbewerbskosten in Strom umwandeln müssen.

Ein Forscherteam des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US Energy Department (DOE) hat nun zwei dieser drei Anforderungen bewiesen, mit einem vielversprechenden Start für die dritte von ihnen.

Peidong Yang, ein Chemiker der Abteilung Materialwissenschaften des Berkeley Laboratory, hat die Entwicklung einer Technik für die Herstellung des Kerns/der Struktur von Solarzellen von Nanokabeln unter Verwendung von Halbleitern von Cadmiumsulfid für den Kern und Kupfersulfid für die Struktur geleitet. Diese Zellen sind preiswert und einfach herzustellen und verfügen über eine offene Stromkreisspannung und eine höhere Füllung als herkömmliche flache Solarzellen. Insgesamt bestimmen die offene Stromkreisspannung und der Füllfaktor die maximale Energie, die eine Solarzelle erzeugen kann. Darüber hinaus haben die neuen Nanokabel auch eine Energieeffizienz von 5,4% gezeigt, die mit der von flachen Solarzellen vergleichbar ist.

"Dies ist das erste Mal, dass eine chemische Technik für den Kationenaustausch in Lösung verwendet wurde, um monokristalline Cadmiumsulfid-Nanokabel mit einem Kupfersulfidkern/-struktur herzustellen," sagt Yang. "Unsere Leistung, zusammen mit der Zunahme der Lichtaufnahme, die wir in den Nanokabelanlagen durch Lichtfallen gezeigt haben, zeigen, dass der Kern/die Struktur der Nanokabel wirklich vielversprechend für die zukünftige Solarzellentechnologie ist."

Die Solarzellen bestehen heute normalerweise aus ultrapuren Folien aus monokristallinem Silizium, die etwa 100 μm dicker dieses so teuren Materials erfordern, um genügend Sonnenlicht aufzunehmen. Darüber hinaus erfordert das hohe Maß an Reinigung der Kristalle, dass selbst die Herstellung einfacherer flacher Solarzellen auf Siliziumbasis zu einem komplexen, kostspieligen Prozess wird, der auch intensive Energie erfordert.

Feiner als menschliches Haar

Eine sehr vielversprechende Alternative wären Halbleiternanokabel, eindimensionale Streifen von Materialien, deren Breite nur ein Tausendstel eines menschlichen Haares misst, deren Länge jedoch bis zur Millimeterskala verlängert werden kann. Solarzellen aus Nanokabeln bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen, einschließlich der besten Ladungstrennung und der besten Sammelkapazität, sowie sie können aus reichlichen Materialien auf der Erde hergestellt werden. Bis jetzt hat jedoch die geringe Effizienz dieser Zellen mehr Gewicht als ihre Vorteile.

"In der Vergangenheit haben sich die Nanokabel-Solarzellen als Füllfaktoren und offene Stromkreise erwiesen, die weit unter denen ihrer flachen Homologen liegen," sagt Yang. "Die möglichen Gründe für diese geringe Leistung sind die oberflächliche Rekombination und die geringe Kontrolle über die Qualität der p-n-Verbindungen bei Verwendung von Prozessen bei hoher Temperatur."

Im Herzen aller Solarzellen gibt es zwei getrennte Schichten von Material, eine mit einer großen Anzahl von Elektronen, die als negatives Pol arbeiten, und eine mit einer Vielzahl von Elektronenlöchern (Energieräume mit positiver Ladung), die als positives Pol arbeiten. Wenn Photonen von der Sonne absorbiert werden, wird ihre Energie verwendet, um Elektron-Hilfspaare zu erzeugen, die dann in p-n-Verbindung (die Schnittstelle zwischen den beiden Schichten) getrennt werden und als Elektrizität gesammelt werden.

Nanokabel werden zu Solarzellen

Vor etwa einem Jahr entwickelten Yang und die Mitglieder seiner Forschungsgruppe eine relativ kostengünstige Methode, um die p-Verbindungen der konventionellen flachen Solarzellen mit einer p-n Radialverbindung zu ersetzen, in der eine Siliziumschicht des Typs n eine Schicht um einen Kern von Nanokabeln des Typs p bildet. Diese Geometrie macht jeden einzelnen Nanokabel tatsächlich zu einer Photovoltaikzelle und verbessert die Lichtaufnahmefähigkeiten von Feinschichtzellen auf Siliziumbasis erheblich.

Sie haben nun diese Strategie zur Herstellung von Kern/Struktur-Nanokabeln unter Verwendung von Cadmiumsulfid und Kupfersulfid umgesetzt, diesmal jedoch unter Verwendung einer chemischen Lösung. Diese Kern/Struktur-Nanokabel wurden mit einer Kationenaustauschreaktion in Lösung (negativer Ion) vorbereitet, die ursprünglich von der chemischen Paul Alivisatos und seiner Forschungsgruppe entwickelt wurde, um Quanten- und Nanorods (Stroh-Nanovarilla-Arten) herzustellen. Alivisatos ist jetzt Direktor des Berkeley Laboratory, und Larry und Diane Bock sind Professoren für Nanotechnologie an der Universität Berkeley in Kalifornien.

"Die ersten Cadmiumsulfid-Nanokabel wurden durch den Transport von physikalischem Dampf mit einem Dampf-flüssig-festen Mechanismus (VLS) anstelle von feuchter Chemie synthetisiert, was uns eine bessere Materialqualität und eine größere physikalische Länge gab, aber die Wahrheit ist, dass es auch mit einem Lösungsprozess möglich ist," sagt Yang. "Die Cadmiumsulfid-Nanokabel, die als einzelnes Glas gewachsen sind, haben einen Durchmesser von 100 bis 400 Nanometern und Längen von bis zu 50 Millimetern."

Die Cadmiumsulfid-Nanokabel wurden dann in eine Kupferchloridlösung bei einer Temperatur von 50 Grad Celsius von 5 bis 10 Sekunden eingetaucht. Die Kationenaustauschreaktion macht die Oberflächenschicht von Cadmiumsulfid zu einem Kupfersulfidgehäuse.

"Die Kationenaustauschreaktion in Lösung bietet uns eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung qualitativ hochwertiger heteroepitaxialer Nanomaterialien," sagt Yang. "Darüber hinaus verhindert sie die Schwierigkeiten bei der Einführung von Hochtemperaturen und der Sedimentierung typischer Dampfproduktionsmethoden, was auf wesentlich niedrigere Herstellungskosten und eine bessere Reproduzierbarkeit schließen lässt. Alles, was wir brauchen, sind Becher und Kolben für diesen Lösungsprozess. Es gibt keine der hohen Kosten, die mit der Herstellung von epitaxialem chemischem Dampf in der Gasphase und der Epitaxie von molekularen Strahlen verbunden sind, die beiden Techniken, die heute am häufigsten für die Herstellung von Halbleiternanokabeln eingesetzt werden."

Yang und seine Kollegen glauben, dass sie die Energieeffizienz ihrer Nanokabel aus Solarzellen verbessern können, indem sie die Menge an Material aus der Kupfersulfidschicht erhöhen. Damit ihre Technologie wirtschaftlich tragfähig ist, müssen sie eine Energieumwandlungseffizienz von mindestens 10% erreichen.

Quelle: LBNL News Center

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