Internationale Zusammenarbeit treibt die Suche nach Solarzellen der nächsten Generation voran

Shashank Priya (links) und Joe Shapter (rechts) leiten eine internationale Forschungskooperation zur Entwicklung der Solartechnologie der nächsten Generation. Bildnachweis: Zusammenarbeit mit Penn State International treibt die Suche nach Solarzellen der nächsten Generation voran

Die nächste Generation von Solarzellen aus flexiblem, tragbarem Material könnte unsere Geräte bald unterwegs aufladen oder kritischen Strom liefern, wenn andere Stromquellen nicht verfügbar sind, wie beispielsweise bei einer Naturkatastrophe.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern aus Penn State und der University of Queensland, Australien, entwickelt neue Technologien, um diese Solargeräte der nächsten Generation Wirklichkeit werden zu lassen.

„Mit dieser Technologie können Sie sich ein effizientes, flexibles Solarpflaster auf die Schulter legen und in der Sonne herumlaufen und ein Handy in der Tasche haben“, sagt Shashank Priya, Professor für Materialwissenschaften und -technik und stellvertretender Vizepräsident für Forschung im Penn-Staat. „Die Flexibilität und Integration mit gängigen Oberflächen bieten eine neue Dimension unserer Nutzung der Sonnenenergie.“

Es gibt eine lange Liste möglicher Anwendungen für flexible Solarzellen, aber es bleiben noch Hürden, bevor die Technologie mit traditionelleren, starren Solarmodulen und anderen Energiequellen konkurrieren kann.

“Ich denke, die Definition eines sehr guten Problems ist eigentlich der erste Schritt, um eine große Entdeckung zu machen”, sagte Priya. “Im Fall der Solarenergie gibt es drei große Probleme, und sie sind klar definiert: Effizienz und Stabilität verbessern und Kosten senken.”

Um diese Herausforderungen anzugehen, arbeitet Priya mit Joe Shapter zusammen, einem Professor an der University of Queensland, Australien, dessen Labor auf Nanotechnologie spezialisiert ist.

Priya und die Mitglieder seines Labors sind weltweit führend in der Entwicklung und Herstellung von hauchdünnen, flexiblen Solarzellen aus Solarmaterialien der nächsten Generation. Shapter und sein Team erforschen hochmoderne Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Phosphoren, die die Leistung von Solarzellen, wie sie Priya in Penn State herstellt, weiter steigern können. Diese Zusammenarbeit könnte zur nächsten Generation kommerziell tragfähiger Solarzellen führen.

“Es besteht kein Zweifel, dass wir Wege finden müssen, die von uns benötigte Energie auf eine Weise zu produzieren, die der Umwelt nicht schadet”, sagte Shapter. “In Teilen der Welt, in denen es viel Sonnenlicht gibt, bietet die Photovoltaik eine klare Chance dafür.”

Zusammenarbeit in Aktion

Eine halbe Welt von zu Hause entfernt beobachtete Liam Brownlie, wie flexibles Solarmaterial von einem Drucker auf dem Campus der Penn State University Park rollte.

Brownlie, ein Doktorand in Shapters Labor, verbrachte das letzte Jahr an der Penn State mit einem Fulbright-Stipendium, brachte seine Expertise in Nanomaterialien und Chemie ein und stärkte die Beziehung zwischen den beiden Forschungsgruppen.

“Meine Arbeit mit Joe Shapter und jetzt hier bei Penn State ermöglicht es mir, mit modernster Front-End-Solarzellentechnologie zu arbeiten”, sagte Brownlie. “Viele Leute fangen gerade erst an zu verstehen, wie man Materialien der neuen Generation druckt, und Shashanks Gruppe ist die beste der Welt, wenn es um diese Art von Sachen geht.”

Mit der Technologie könnten Hausbesitzer eines Tages Solarpflaster auf Vorhänge oder Tapeten kleben, um Streusonnenlicht und Leistungselektronik zu absorbieren, die einst auf Batterien angewiesen war. Das Militär könnte die Aufnäher auf Zelten bei Vormarscheinsätzen oder bei der Reaktion auf Naturkatastrophen, die Stromnetze zerstört haben, anbringen.

„Die moderne Wissenschaft ist auf Kooperationen wie diese angewiesen“, sagte Brownlie. “Es sind diese Kooperationen und der Austausch von Wissen und Fähigkeiten, die wirklich dazu beitragen, die Wissenschaft voranzubringen.”

Priya und Shapter trafen sich zum ersten Mal auf einer gemeinsamen Konferenz zwischen den USA und Australien in Washington, DC, die vom Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) organisiert wurde. Sie sagten, die Partnerschaft nutze die Stärken beider Gruppen und habe die Entwicklung der Solartechnologie beschleunigt.

Ihre Zusammenarbeit hat zu einer Reihe von Veröffentlichungen in Nano Energy, Joule und Small Methods geführt, die Fortschritte bei der Verbesserung der Stabilität und Leistung von Solarzellen bieten.

“Internationale Forschungskooperationen wie diese stärken die Wissenschaft”, sagte John Hellmann, Senior Associate Dean für Graduiertenausbildung und Forschung am College of Earth and Mineral Sciences in Penn State. “Wir können voneinander lernen und Ressourcen teilen; indem wir die intellektuelle Kraft unserer Mitarbeiter nutzen, können wir die Zeit verkürzen, die für kritische wissenschaftliche Fortschritte erforderlich ist.”

Die Zukunft der Solarenergie

Herkömmliche Solarzellen, typischerweise starre Geräte auf Dächern oder Solaranlagen, haben sich in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert und können heute etwa 20 bis 22 % der Sonnenenergie in nutzbaren Strom umwandeln. Wissenschaftler glauben jedoch, dass sie sich den Grenzen der siliziumbasierten Technologie nähern.

Jüngste Arbeiten haben sich auf Perowskit-Solarzellen konzentriert, die nach ihren einzigartigen Kristallstrukturen benannt sind, die sichtbares Licht hervorragend absorbieren. Perowskitzellen werden intensiv erforscht, da sie eine effizientere und kostengünstigere Alternative zur traditionellen siliziumbasierten Solartechnologie bieten.

Shapters Team erforscht 1D- und 2D-Materialien zur Verbesserung der Effizienz und Stabilität von Perowskitzellen und entwickelt neue Nanomaterialien, die den Elektronentransport innerhalb der Zellen verbessern können. Sein Team verwendet Phosphoren, ein 2-D-Material, das im Wesentlichen eine einzelne Schicht schwarzer Phosphormoleküle ist.

“Das längerfristige Ziel ist es, Photovoltaik ohne Silizium herzustellen”, sagte Shapter. “Unser Hauptaugenmerk lag auf einer ‘All-Carbon’-Solarzelle, die billig herzustellen wäre und unserer Meinung nach sehr hohe Wirkungsgrade haben kann.”

Materialien wie Phosphoren sind derzeit experimentell und daher teuer, aber Priya sagte, sie könnten irgendwann billiger kommerziell hergestellt werden als Silizium heute.

“Um weiterzukommen, brauchen wir neue Materialien wie Phosphoren und 2-D-Perowskit-Einkristalle”, sagte Priya. “Dies sind die nächsten Schritte, um die Technologie voranzubringen.”


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