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Solarenergie
Durchbruch bei Photovoltaik: Forscher entdecken neuen Materialmix für Solarzellen mit tausendfacher Leistung
Forscher der Universität Halle-Wittenberg haben eine Zusammensetzung für Solarzellen entwickelt, die den photovoltaischen Effekt um ein Vielfaches erhöhen, wie das Magazin t3n berichtete.
Das Team der Marthin-Luher-Universität Halle-Wittenberg (MLU) konnte einen neuen Materialmix aus Barium-, Strontium- und Calciumtitanat erstellen, der den photovoltaischen Effekt, also die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen, um den Faktor 1.000 erhöht. Veröffentlicht wurden die Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift Sciences Advances.
Herkömmliche Solarzellen bestehen in der Regel aus Silizium. Das Problem dabei: der Wirkungsgrad ihrer Energiegewinnung ist begrenzt. Solarzellen mit Silizium brauchen für den photovoltaischen Effekt positiv und negativ dotierte Schichten, was den Bau von Solarzellen verkompliziert. Die Forscherinnen und Forscher verwendeten bei ihrer Herstellung von Solarzellen stattdessen nun Ferroelektrika. „Ferroelektrisch bedeutet, dass das Material räumlich getrennte positive und negative Ladungen besitzt“, erläuterte der Physiker Akash Bhatnagar. Er arbeitet am Zentrum für Innovationskompetenz Sili-Nano an der MLU. Diese bräuchten demnach keine getrennt dotierten Schichten, erklärte der Physiker. Das würde den Bau erheblich vereinfachen.
Materialmix bis zu 1000 Mal stärker
Verstärkt haben die Forschenden den Effekt, indem sie nicht nur eine einzelne Schicht aus Bariumtitanat einsetzten. Darüber hinaus fügten sie eine weitere paraelektrische Schicht aus Strontiumtitanat auf der einen und Calciumtitanat auf der anderen Seite ein. Mit einer Spezialtechnik wurden die Kristalle verdampft und auf Trägersubstraten abgelagert. Insgesamt besteht das Material aus 500 Schichten und ist etwa 200 Nanometer dick.
Bis zu 1.000 Mal stärker waren die Messungen des Effekts mit dieser neuen Zusammensetzung als bei herkömmlichen Materialmixen mit reinem Bariumtitanat. Mit dieser Effektivität haben selbst die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht gerechnet. „Offenbar führt die Interaktion der Gitterschichten zu einer wesentlich höheren Permittivität — also dazu, dass die Elektronen aufgrund der Anregung durch die Lichtphotonen deutlich leichter abfließen können“, erklärte Bhatagnar.
Für den weiteren Verlauf der Forschung ist vorgesehen, den neuen Materialmix hinsichtlich der Haltbarkeit und Festigkeit zu untersuchen. Erst dann könne tatsächlich abgewägt werden, wie zukunftsträchtig dieser neue Materialmix sein wird. Sollte er sich als robust und haltbar herausstellen, müssen Produktionspartner sowie Investorinnen und Investoren gefunden werden.
Start-up Lightyear bringt Solarauto Zero
Mit dem ersten serienreifen Solarauto will Lightyear die Entwicklung des Elektroautos auf die nächste Stufe heben. Denn wenn das niederländische Start-up für mindestens 297 500 Euro noch vor dem Jahresende mit der Auslieferung des Lightyear Zero beginnt, kann es erstmals auch Sonnenstrom «tanken».
Dafür haben die Entwickler rund fünf Quadratmeter Solarzellen auf dem Dach und den Hauben des 5,10 Meter langen Viertürers installiert. Gespeichert wird der Strom in einem 60 kWh großen Akku, den man freilich auch an der Steckdose laden kann.
Denn unter durchschnittlichen Bedingungen in Zentraleuropa kommt der Lightyear mit Sonnenstrom nach Berechnungen des Herstellers pro Tag nur etwa 50 Kilometer weit.
Viele Details sorgen für Effizienz
Um die Fahrstrecke unabhängig von der Energiequelle zu maximieren, hat Lightyear zugleich die Effizienz erhöht. Dafür wurden die Motoren, das Gewicht und die Aerodynamik optimiert.
Der Zero ist deshalb das erste Serienauto mit Radnaben-Motoren, wiegt mit knapp 1600 Kilo deutlich weniger als vergleichbare Elektroautos und ist mit einem Cw-Wert von 0,19 noch windschnittiger als der bisherige Rekordhalter Mercedes EQS, teilt Lightyear mit.
Einen weiteren Beitrag dazu leistet die freiwillige Beschränkung auf Fahrleistungen deutlich unterhalb des Klassenstandards. So kommen die vier Radnaben-Motoren nur auf rund 132 kW/180 PS. Für den Sprint von 0 auf 100 km/h braucht der Zero glatte zehn Sekunden. Und schon bei 160 km/h zieht die Elektronik die Reißleine.
Etwas Verzicht für niedrigen Verbrauch
Zudem zwingt der Zero zu einem gewissen Komfortverzicht: Große Bildschirmlandschaften gibt es im vegan ausgeschlagenen Innenraum des Zero genauso wenig wie eine Ambientebeleuchtung, Massagesitze oder ein aufwendiges Soundsystem.
Doch der Aufwand lohnt, sagt Firmenchef Lex Hoefsloot: Mit einem Verbrauch von 10,5 kWh auf 100 Kilometer sei der Zero das effizienteste Elektroauto am Markt und komme deshalb mit seiner Batterie selbst ohne zusätzlichen Sonnenstrom im WLTP-Zyklus auf eine Reichweite von 625 Kilometern.
Auf eins folgt zwei - und soll billiger werden
Natürlich wissen Hoefsloot und seine Mitstreiter, dass der Einfluss aufs Weltklima bei einem derart hohen Preis bescheiden ist. Zumal Lightyear maximal 946 Exemplare des Zero bauen will.
Doch soll der große Viertürer nur der Anfang sein: Schon 2024/25 wollen sie mit dem Lightyear Two ein elektrischer Crossover mit Solarzellen vorstellen, das dann nur noch etwa 30 000 Euro kosten und in sechsstelligen Stückzahlen produziert werden soll.
Strompreise immer höher: So funktioniert effiziente Stromgewinnung durch transparente Solarzellen
Mithilfe von Solarzellen kann Licht als Energiequelle genutzt werden. Insbesondere transparente Solarzellen bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Forschenden ist es gelungen, ebendiese effizienter zu gestalten und somit den Weg für eine flächendeckende Nutzung zu ebnen.
Entwicklung transparenter Solarzellen
Solarzellen bieten eine Möglichkeit zur nachhaltigen Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen. Um das Potenzial der Solarkraft besser nutzen zu können, arbeiten Forschende weltweit an innovativen Konzepten und der Weiterentwicklung herkömmlicher Solarzellen. Wissenschaftlern der Uppsala Universität in Schweden und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz ist es gelungen, einen Grundstein für die weitere Entwicklung spezieller transparenter Solarzellen zu legen. Die Erfindung der sogenannten farbstoffsensibilisierten Solarzellen ist nicht gänzlich neu, so wird bereits seit den 1990er Jahren auf diesem Gebiet geforscht. Die jüngsten Forschungsergebnisse sind insofern bemerkenswert, weil sie zu einer beträchtlich höheren Effizienz transparenter Solarzellen führen können.
In einem wissenschaftlichen Artikel, welcher im Fachmagazin Nature veröffentlicht wurde, beschreiben die Wissenschaftler die Wirkungsweise ihrer Innovation und die daraus resultierenden Ergebnisse. Der höhere Wirkungsgrad der Zellen werde durch eine innovative Anordnung von Farbstoffmolekülen auf der Oberfläche ebendieser erreicht. Dadurch werde eine Nutzung des vollen Spektrums des sichtbaren Lichts ermöglicht. Resultierend daraus könne eine Leistungsumwandlungseffizienz von 15,2 Prozent realisiert und diese mehr als 500 Stunden gehalten werden. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen sind kostengünstig, aber bisher weitaus weniger effizient als konventionelle Solarzellen. Die nun vorliegenden Erkenntnisse könnten dies ändern.
Potenzial transparenter Solarzellen
Die Anwendungsmöglichkeiten transparenter Solarzellen sind ebenso vielfältig wie vielversprechend. Durch die besonderen Eigenschaften der farbstoffsensibilisierten Solarzellen bietet sich eine Vielzahl zusätzlicher Verwendungszwecke. So könnte die neuartige Technologie beispielsweise in Fenstern, Glasfassaden oder Gewächshäusern verwendet werden, um Strom zu erzeugen. Leistungsstarke und durchsichtige Solarzellen könnten ebenso elektronische Geräte mit einem geringen Stromverbrauch mit Energie versorgen und herkömmliche Batterien oder Akkus ersetzen. Im Falle einer erfolgreichen Weiterentwicklung des Prinzips wäre beispielsweise eine Stromversorgung von Smartphones über ein mit farbstoffsensibilisierten Solarzellen ausgestattetes Display denkbar, berichtet der Independent.
Rettung in Energiekrise? - Forscher entwickeln Solarzellen, die auch nachts Strom erzeugen
Nachts mit Solarzellen Strom erzeugen
Damit Solarzellen Strom erzeugen können, benötigen sie für gewöhnlich Sonnenlicht, das natürlicherweise nur tagsüber zur Verfügung steht. Nachts sinkt die Produktivität der Module dadurch auf Null. Forschern der Universität Stanford soll es nun aber gelungen sein, dieses Problem zu beheben und auch in der Nacht mit Solarpanels Strom zu generieren. Wie die Website Interesting Engineering berichtet, testeten im vergangenen Oktober Wissenschaftler rund um den Elektroingenieur Sid Assaworrarit auf dem Dach der Stanford Universität ein Solarmodul, welches mit einem thermoelektrischen Generator ausgestattet wurde, um dessen nächtliche Leistungsfähigkeit zu untersuchen. Die Konditionen waren gut, da mehrere Nächte lang am kalifornischen Himmel keine einzige Wolke zu sehen war. Unter diesen Bedingungen verlief das Experiment erfolgreich. Nach Angaben von Interesting Engineering soll das getestete Gerät nachts etwa 50 Milliwatt pro Quadratmeter erzeugt haben. "Ich denke, das ist wahrscheinlich eine Rekordzahl", sagt Assaworrarit gegenüber der Website. Mit einigen Verbesserungen und einem optimierten Standort, könnte die Stromerzeugung laut Assaworrarit aber noch deutlich gesteigert werden. "Die theoretische Grenze liegt wahrscheinlich bei etwa ein bis zwei Watt pro Quadratmeter", gibt der Forscher bekannt. "Das ist keine große Zahl, aber es gibt viele Anwendungen, bei denen diese Art von Nachtenergie nützlich wäre."
Neue Solarzellen könnten Batterien überflüssig machen
Die neue Technologie könnte überall nützlich sein, wo bisher für den nächtlichen Strombedarf Batterien eingesetzt werden müssen. Da gewöhnlich Solarmodule nur tagsüber arbeiten, muss für die Energiebereitstellung in der Nacht der erzeugte Strom für die spätere Nutzung in Batterien gespeichert werden. Dieser Umstand bringt gleich zwei Nachteile mit sich. Erstens sind die notwendigen Batterien durchaus teuer und zweitens verlieren diese mit der Zunahme der Ladezyklen erheblich an Kapazität. Durch die nächtliche Stromerzeugung mit thermoelektrischen Generatoren kann auf viele Batterien verzichtet werden. Da es sich bei den Geräten außerdem um Festkörpergeneratoren handle, erstrecke sich die Lebensdauer laut Assaworrarit so ziemlich ins Unendliche.
Laut Interesting Engineering hat etwa eine Milliarde Menschen keinen Zugang zu einem Stromnetz. Diese Personen sind bei der Stromversorgung unter anderem von Solarenergie abhängig. Tagsüber könne man sich in diesen Gebieten auf die Solarpanels verlassen, nachts sei dies aber nicht der Fall. Die neu entwickelten Solarmodule könnten hier Abhilfe schaffen. Ebenso angewiesen auf nächtliche Energie seien viele Wissenschaftler und Forschungsprojekte auf der ganzen Welt. Für die durchgehende Untersuchung von beispielsweise Wetterbedingungen oder Tierarten in den entlegensten Ecken des Globus, könnten die nachtaktiven Solarpanels den benötigten Strom generieren und den Bedarf von Batterien deutlich reduzieren.
Infrarotstrahlung macht Stromerzeugung bei Nacht möglich
Die Stromerzeugung bei Nacht bewerkstelligen die Forscher der Universität Stanford mit der Nutzung von Infrarotstrahlung. "Tagsüber kommt Licht von der Sonne herein und trifft auf die Solarzelle, aber während der Nacht passiert so etwas wie das Gegenteil", erklärt Assawaworrarit gegenüber Interesting Engineering. Von der Sonne empfange die Erde ständig eine enorme Menge an Energie in Höhe von 173.000 Terrawatt. Wolken, atmosphärische Partikel und schneebedeckte Oberflächen würden rund 30 Prozent dieser Energie direkt wieder in den Weltraum reflektieren. Der Rest erwärme den Planeten. Diese Wärme verbleibe aber, bis auf eine gewisse durch den Treibhauseffekt bedingte Menge, nicht auf der Erde. Über Infrarotstrahlung gebe praktisch jeder Gegenstand, der wärmer als der absolute Nullpunkt ist, die aufgenommene Energie wieder ab. Dabei handle es sich um eine Art Licht, das aufgrund seiner langen Wellenlänge nicht vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. "Es geht tatsächlich Licht aus [vom Solarpanel], und wir nutzen das, um nachts Strom zu erzeugen. Die Photonen, die in den Nachthimmel hinausgehen, kühlen die Solarzelle tatsächlich ab", erläutert Assawaworrarit. Die himmelwärts austretenden Photonen nehmen die Wärme mit sich und verlassen die Erde Richtung Weltall. Wenn nachts keine Wolken am Himmel sind, die die Infrarotstrahlungen wieder auf den Planeten zurückwerfen, erwärmt sich die Luft um das Solarmodul bei gleichzeitiger Abkühlung der Oberfläche des Geräts. Diesen Temperaturunterschied zwischen dem ein paar Grad kühleren Solarpanel und der Umgebungsluft, machen sich Assawaworrarit und seine Kollegen über einen thermoelektrischen Generator für die Stromerzeugung zunutze.