Eine Reihe verschiedener Zusatzstoffe und zusätzliche Schichten könnte die Art und Weise verändern, wie die Oberfläche einer Solarzelle mit dem Licht interagiert – und so deren Leistung verbessern. So können lichtstreuende Strukturen dafür sorgen, dass das Sonnenlicht auf winzige, in die Zelle eingebettete Partikel trifft und um das Gerät herum reflektiert wird, anstatt direkt wieder aus ihm herauszukommen.
Eine Gruppe von US-Wissenschaftlern unter der Leitung der Penn State University hat nachgewiesen, dass sich der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen um ein Prozent erhöhen lässt, indem sie eine nanoskalige Lichtabfangstruktur an der Vorderseite der Zelle anbringen. Zunächst hatten die Forscher einen völlig anderen Weg zur Optimierung von Solarzellen untersucht – stellten dann aber fest, dass der größte Teil des vermeintlichen Gewinns auf den begleitenden Lichtstreueffekt zurückzuführen ist.
„Einige Forscher haben in der Literatur die Hypothese aufgestellt und Ergebnisse gezeigt, dass Nanopartikel mit Aufwärtskonversion die Leistung steigern“, sagt Shashank Priya, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der Penn State. „Aber diese Forschung zeigt, dass es keine Rolle spielt, ob man Up-Conversion-Nanopartikel oder andere Nanopartikel einsetzt – sie werden aufgrund der verstärkten Lichtstreuung eine höhere Effizienz aufweisen.“
Bei der Aufwärtskonversion wandelt ein Material, das einer Zelle hinzugefügt wird, Infrarotstrahlung in sichtbares Licht um, das von der Solarzelle absorbiert werden kann. Dieses Verfahren wird seit langem als eine Möglichkeit verfolgt, Wirkungsgrade zu erreichen, die über das hinausgehen, was theoretisch in einer Single-Junction-Zelle möglich ist. In diesem Fall stellten Wissenschaftler der australischen Macquarie University ein anderes kristallines Material zur Verfügung, das den Aufwärtswandlungseffekt nicht aufweist, so dass die Forscher der Penn State University die Ergebnisse vergleichen konnten.
Sie beschrieben ihre Arbeit im Aufsatz „Homogenization of Optical Field in Nanocrystal-Embedded Perovskite Composites“, der in ACS Energy Letters veröffentlicht wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die Materialien die Umwandlungseffizienz der Perowskit-Solarzelle gleichermaßen effektiv verbessern. Mit weiteren Berechnungen konnten die Forscher nachweisen, dass die Effizienzsteigerung in erster Linie auf die Lichtstreuung zurückzuführen ist, während die Aufwärtskonversion nur einen vernachlässigbaren Effekt hat.
„Wir begannen, mit der Verteilung der Nanopartikel im Modell zu spielen, und stellten fest, dass die Streuung zunimmt, wenn man die Partikel weit voneinander entfernt verteilt“, so Thomas Brown, außerordentlicher Professor an der Universität Rom. „Dann hatten wir diesen Durchbruch.“
Die Gruppe erklärt, dass sie nun die Optimierung der Größe, Form und Verteilung der Partikel in Nanostrukturen untersuchen wird, um die Leistung noch weiter zu optimieren.
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