Was sind Quantenpunktsolarzellen?
Quantenpunktsolarzellen sind Solarzellen, die auf einem Netzwerk von im Nanometerbereich hergestellten Kristallen aufgebaut sind und aufgrund der grundlegenden Einschränkung, wie Solarzellen Sonnenlicht einfangen, das Potenzial haben, herkömmliche Solarzellentechnologien zu übertreffen. Eine Standardsolarzelle basiert auf einer Materialschicht, die ein bestimmtes Band oder eine bestimmte Wellenlänge des Lichts am effizientesten erfasst. Die Quantenpunkte in Quantenpunktsolarzellen können jedoch erzeugt werden, um mehrere Lichtbänder einzufangen, indem ihre Größe und chemische Zusammensetzung während des Herstellungsprozesses variiert werden. Dies ermöglicht es einer Anordnung verschiedener Arten von Quantenpunkten auf einer Substratschicht, möglicherweise einen weiten Bereich von Lichtwellenlängen zu erfassen, so dass diese viel effizienter und wirtschaftlicher herzustellen sind als herkömmliche Solarzellen.
Die technische Grenze für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mit einem Solarzellenmaterial aus einer Art chemischer Struktur liegt theoretisch bei maximal 31%. Gewerbliche Solarzellen weisen ab 2011 jedoch nur noch einen praktischen Wirkungsgrad von 15% bis 17% auf. Seit Jahrzehnten wird nach Verbesserungen der Solarzellentechnologie unter verschiedenen Gesichtspunkten geforscht, beispielsweise um die Kosten für Photovoltaikmaterial auf der Basis von hochreinem Silizium durch den Austausch flexibler Polymer- und Metallsubstrate zu senken. Die Solarzellenforschung konzentrierte sich auch auf die Erfassung eines größeren Lichtbereichs mit Bandlücken, indem verschiedene Schichten von Solarzellenmaterialien gestapelt oder einzigartige Kristalle, sogenannte Quantenpunkte, auf einer Solarzellenschicht erzeugt wurden. Alle Ansätze haben ihre Nachteile, und auch Quantenpunktsolarzellen versuchen, wo immer möglich, ihre Vorteile zu nutzen.
Die aufkommende Technologie von Quantenpunktsolarzellen baut auf der Physik und Chemie der Quantenpunkte selbst auf, beinhaltet jedoch auch das Prinzip einer Mehrschichtsolarzelle und die Fähigkeit, diese Komponenten in eine einfacher herzustellende, potenziell flexibler Untergrund. Idealerweise zielt die Technologie auf die Herstellung einer sogenannten Vollspektrumsolarzelle ab, die in der Lage ist, bis zu 85% des strahlenden, sichtbaren Lichts einzufangen und in Elektrizität umzuwandeln sowie etwas Licht im Infrarot- und Ultraviolettbereich einzufangen. Die Energieleistungen für solche Solarzellen haben im Labor ab 2011 einen Wirkungsgrad von 42% erreicht. Derzeit müssen praktische, kostengünstige chemische Strukturen für eine solche Technologie gefunden werden, damit sie in Massenproduktion hergestellt werden kann.
Die Ansätze für Solarzellen der nächsten Generation konzentrierten sich auf das Drei-Band-Gap- oder Multi-Junction-Modell, bei dem verschiedene Schichten halbleitender Legierungen aus Gallium-Arsenid-Nitrat miteinander verbunden sind. Bei einer anderen chemischen Zusammensetzung mit mehreren Übergängen wurde eine Zink-Mangan-Tellur-Legierung verwendet, und Quantenpunktsolarzellen werden ebenfalls aus Cadmiumsulfid auf einem Titandioxidsubstrat hergestellt, das mit organischen Molekülen beschichtet ist, um das Metallsubstrat und die Quantenpunkte miteinander zu verbinden. Andere Variationen der drei Bandlückenschichten umfassen die Forschung unter Verwendung von Indium-Gallium-Phosphid, Indium-Gallium-Arsenid und Germanium. Viele chemische Kombinationen scheinen zu funktionieren, und die Größe der im Prozess verwendeten Moleküle, wie der organischen Verbindungsschicht, scheint einen größeren direkten Einfluss auf die Effizienz von Quantenpunktsolarzellen zu haben, um ein breites Lichtspektrum einzufangen als die tatsächliche Chemie der Materialien selbst. Die Schichten in einer Mehrfachsolarzelle, einschließlich der Quantenpunkte selbst, müssen jedoch oft weniger als zwei Nanometer dick sein, was ein äußerst feines Maß an Präzision erfordert, um zu erzeugen, wie es nur Mikrochip-Fab-Einrichtungen sind, die Computerprozessoren und Speicher herstellen in der Lage in einem Massenmaßstab.
Ziel der Forschung an Quantenpunktsolarzellen ist es, Solarzellen effizienter und kostengünstiger herzustellen. Idealerweise werden sie auf flexiblen Polymermaterialien aufgebaut, sodass sie auf Gebäude gestrichen oder als Beschichtung für tragbare Elektronik verwendet werden können. Sie könnten dann auch zu synthetischen Geweben für Kleidung und Polster in Autos verwoben werden. Dies würde der Solarzellentechnologie weitverbreitete Anwendungen in der Stromerzeugung geben, die den Bedarf an fossilen Brennstoffen für viele allgemeine Verbraucherbedürfnisse, einschließlich Klimatisierung, Telekommunikation, Transport und Beleuchtung, ergänzen oder ersetzen könnten. Solche Solarzellen wurden im Labor in den USA, Kanada, Japan und anderen Ländern hergestellt, und das erste Unternehmen, das eine Methode zur kostengünstigen Massenproduktion der Technologie gefunden hat, wird wahrscheinlich einen Weltmarkt für diese Technologie von beispiellosem Ausmaß erobern.