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Effizientere, langlebigere Solarzellen sind dank Glas möglich

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Selbstkühlende, langlebige und effizientere Solarzellen sind durch den Einsatz einer dünnen Glasschicht in Reichweite.

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Ein heute in der Online-Zeitschrift Optica veröffentlichtes Papier skizziert eine mögliche Lösung für einen besseren Zugang zur Solarenergie.

Solarzellen arbeiten, indem sie Sonnenstrahlung in Energie umwandeln. Durch diesen Prozess wird ein gewisser Energieverlust erwartet.

Aber durch die Überhitzung der Solarzellen geht eine überraschende Menge an Energie verloren. Dies schränkt die Fähigkeit der Zelle zur Stromerzeugung ein und verkürzt ihre Lebensdauer.

Der Hitze trotzen

Das Forschungsteam der Stanford University in Kalifornien fand heraus, dass, wenn eine dünne Schicht Quarzglas mit winzigen Kegel- und Pyramidenstrukturen über die Oberseite von Silizium-Solarzellen gelegt wird, die Betriebstemperatur der Zellen drastisch gesunken ist.

Unter der Leitung von Professor of Electrical Engineering Shanhui Fan entdeckten die Forscher, dass diese Glasschicht unerwünschte Wärme durch die Atmosphäre in den Weltraum leitet.

Durch die Eliminierung überschüssiger Infrarotstrahlung bleiben die Solarzellen kühl und wandeln Sonnenstrahlen effizienter in Energie um.

Der Hauptautor des Papiers, der Doktoranden der Physik, Linxiao Zhu, sagte, dass die Entdeckung dazu führen könnte, kostengünstigere Solarmodule zu entwickeln, die sie zu einer besseren Alternative für erneuerbare Energien machen.

"Die Senkung der Temperatur von Solarzellen führt zu einer höheren Betriebseffizienz", sagt Zhu.

"Darüber hinaus führt eine niedrigere Betriebstemperatur für Solarzellen zu einer deutlich längeren Lebensdauer und damit zu einer Senkung der Energiekosten eines Systems."

Reduzierung der Energieverschwendung

Dem Papier zufolge liegt die Obergrenze des Wirkungsgrades für eine einzelne Siliziumzelle bei etwa 33,7%. Wenn sich die Zelle erwärmt, sinkt dieser Wirkungsgrad - etwa ein halbes Prozent für jeden Grad Temperaturanstieg.

Die Kosten für aktive Methoden zur Kühlung von Solarzellen - wie Lüftung oder flüssige Kühlmittel - überwiegen die Vorteile. Damit ist der Effizienzverlust durch Überhitzung bisher nicht behoben.

Diese passive Methode arbeitet unter Ausnutzung der unterschiedlichen Wellenlängen der Sonneneinstrahlung. Sichtbares Licht im Spektrum ist am besten geeignet, um Energie zu übertragen, während Infrarot mehr Wärme transportiert.

Die Forscher berechneten, dass durch die "Abkehr" von der Infrarotstrahlung mit Quarzglas die Wärme abnimmt, ohne die Menge des sichtbaren Lichts, das die Solarzelle absorbieren kann, negativ zu beeinflussen.

"Wir haben ein optimales Design entwickelt, das aus mikroskaligen Silica-Pyramiden besteht", sagt Professor Fan.

"[Dies] maximiert sowohl die Kühlleistung über den Strahlungskühlmechanismus als auch die Transparenz bei Wellenlängen der Sonneneinstrahlung."

Andrew Blakers von der Australian National University sagte, dass die Autoren dieser Studie zwar über eine solide theoretische Grundlage verfügen, dieses Modell aber in der Praxis wahrscheinlich nicht realisierbar ist.

"Leider sind die Vergleiche im Papier zwischen speziellen Strukturen und nackten Solarzellen und nicht mit verkapselten Zellen[und] nackte Solarzellen werden nie im Feld eingesetzt", sagt Bakers, der Direktor des Centre for Sustainable Energy Systems (CECS) bei ANU ist.

"Das Standard-Glas-Supersubstrat hat viele Funktionen wie Zähigkeit, Kratzfestigkeit, Strukturfestigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Haftung auf EVA/Silikon.

"Das Glassubstrat muss weggelassen werden, weil es zu viel parasitäre Absorption von Wärmestrahlung verursacht - es müsste durch ein Substrat ersetzt werden, um das Modul selbsttragend zu machen."

Associate Professor Ben Powell von der University of Queensland sagte, dass dieser Ansatz zwar eine spannende Möglichkeit ist, die Kosten aber die Vorteile überwiegen könnten.

"Wenn sie nicht billig genug hergestellt werden kann, dann zahlt sich der zusätzliche Strom aus den Effizienzgewinnen und den eingesparten Kosten für den Ersatz von Solarzellen nicht für die Beschichtung aus - in diesem Fall wird sich niemand für sie interessieren", sagte der Physiker.

"Es ist eine sehr elegante und vielversprechende Idee, aber es ist noch ein langer Weg, bis Sie das auf Ihrem Dach finden."

Dennoch sind die Autoren des Papiers zuversichtlich, dass eine zukünftige Entwicklung möglich ist. Laut Linxiao Zhu ist der nächste Schritt die Anwendung dieser Forschung auf die praktische Anwendung.

"Wir haben dieses Design mit extrem genauen numerischen Methoden validiert und arbeiten nun daran, die ersten Prototypen experimentell zu demonstrieren", sagte er.

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