Papier und PV: Auf Holzzellstoff basierendes Material steigert die organische PV-Effizienz

Heutzutage werden Solarzellen aus einem breiten Materialmix hergestellt, von in der Erde vorkommenden Materialien (Silizium und Kohlenstoff) bis hin zu exotischen Seltenerdmetallen (Indium, Gallium usw.) und von Polymeren bis hin zu organischen Materialien. Eine neue Forschungsstudie zeigt, dass es vielleicht an der Zeit ist, Zellstoff zu dieser Liste hinzuzufügen.

Forscher der University of Maryland, der South China University of Technology und der University of Nebraska-Lincoln haben ein neues „Nanopapier“ auf Holzfaserbasis entwickelt, das aufgrund seiner Einzigartigkeit eines Tages die in einigen Solarzellen verwendeten Kunststoffsubstrate ersetzen könnte Optische Eigenschaften.

Bei allen PV-Modulen müssen die Zellen mit einem Schutzmaterial abgedeckt und eingekapselt sein, um sie vor einer Verschlechterung zu schützen. Um jedoch eine hohe Effizienz zu erreichen, müssen alle Schichten, durch die das einfallende Licht dringt, (a) hochtransparent sein (um sicherzustellen, dass das Licht durchkommt) und (b) das einfallende Licht streuen (um sicherzustellen, dass kein Licht in das Material gelangt). leicht wieder reflektiert).

Das Streuen des Lichts lässt sich leicht erreichen, indem man es trüb macht – denken Sie an durchscheinendes oder zerkratztes Glas, aber hohe Trübung und hohe Transparenz passen oft nicht zusammen (es ist schwer, durch durchscheinendes Glas zu sehen). Ebenso weisen hochtransparente Materialien wie klares Glas und Kunststoff, die zur Abdeckung der Vorderseite (der Sonne zugewandten Seite) einer Zelle in einem typischen Solarpanel verwendet werden, eine hohe Transparenz (90 %) aber niedrige optische Trübungswerte (ca. 20 %) auf.

Allerdings wurde das in dieser Studie entwickelte neue papierähnliche Material (siehe Bild oben) gefunden
eine ultrahohe Transparenz von 96 % sowie eine ultrahohe optische Trübung von 60 % aufweisen – der höchste bisher für solche Substratmaterialien gemeldete optische Trübungswert.

Das neue Material, das im Wesentlichen aus Kiefernholzzellstoff hergestellt wird, erhält dadurch einzigartige Eigenschaften
die extrem kleine Größe der Nanoporen, die bei der Verarbeitung von Holzfasern im Material entstehen
Durch einen speziellen Wärmebehandlungsschritt, den die Forscher den „TEMPO“-Prozess nennen, zerfallen sie zu dichten, hohlraumfreien Schichten. Die folgende Abbildung vergleicht die innere Struktur des Zellstoffs (oben: „a“ und „d“) mit der des verarbeiteten Films (unten: „b“ und „e“) aus der Sicht eines Elektronenmikroskops.

Zum Vergrößern auf das Bild klicken (Bildnachweis: Zhiqiang Fang et al. / American Chemical Society)

Diese Entwicklung ist besonders relevant für organische Solarzellen – eine PV-Technologie, die sich bisher einer Kommerzialisierung entzog. Forscher haben herausgefunden, dass die Beschichtung der Oberfläche einer organischen Solarzelle mit ihrem papierähnlichen Material deren Effizienz um beeindruckende 10 % steigert. Dr. Liangbing Hu, Assistenzprofessor an der University of Maryland, erklärt, dass Gewinne von bis zu 20 % möglich seien.

Im Gegensatz zu Silizium- oder Dünnschichtgeräten, die undurchsichtig sind, sind organische Solarzellen transparent. Umso bedeutender sind die Effizienzgewinne, die diesen Geräten einen großen Vorteil für gebäudeintegrierte PV-Anwendungen verschaffen. Wie Dr. Hu erklärt: „Ein solches kostengünstiges, hochtransparentes und stark trübendes Papier kann als hervorragende Folie verwendet werden, um die Lichteinfangeigenschaften für Photovoltaikanwendungen wie Solarmodule, Solardächer oder Solarfenster zu verbessern.“

Die Forscher haben ihren Anwendungsbereich jedoch nicht nur auf organische Zellen beschränkt, sondern das neue Material auch auf blankes Silizium aufgetragen und dabei eine 20-prozentige Verbesserung der Lichtabsorption im Vergleich zu unbeschichtetem Silizium festgestellt. Während die Bedeutung dieser Tatsache für die Effizienz von Standard-Silizium-Solarzellen derzeit nicht bekannt ist (Standard-Solarzellen verwenden kein unbeschichtetes Silizium, daher ist dies kein fairer Vergleich), werden diese Ergebnisse sicherlich für Siliziumforscher von Interesse sein.

Dr. Hu weist darauf hin, dass ihr Material nicht nur einen Prozess verwendet, der weniger Zeit und Energie verbraucht als andere Prozesse zur Herstellung ähnlicher „Nanopapiere“, sondern dass sich ihr Material auch kostengünstiger und einfacher abscheiden lässt als Kunststoffe und es möglicherweise in Nischenanwendungen ersetzen kann .

Die Forscher hoffen, ihr neues Material erfolgreich in bestehende Geräte integrieren und seine Stabilität weiter untersuchen zu können. Wenn es richtig gemacht wird, dürfte dies einen großen Beitrag dazu leisten, die Elektronik- und PV-Branche für sich zu gewinnen, die bekanntermaßen sowohl dauerhaft skeptisch sind als auch insgeheim auf fantastische Aussichten auf neue Materialien hoffen. Denn wer wünscht sich nicht ein aus erneuerbaren Quellen gewonnenes, leistungsstarkes Material mit geringem Kosten- und Energie-Fußabdruck?

Bildnachweis: Zhiqiang Fang et al. / American Chemical Society