Kesterit-Solarzellen an Stromerzeugung in Innenräumen anpassen
Viele der heute kommerziell verfügbaren Solartechnologien funktionieren im Freien gut, wobei es in Innenräumen Schwierigkeiten gibt. Ungeachtet insgesamt sinkender Kosten kann Solartechnik für den Innenbereich nach wie vor teuer sein, giftige Materialien enthalten und zu oft mit der Zeit an Leistung verlieren. Diese Einschränkungen bedeuten, dass dem breitgefächerten Einsatz von Photovoltaikzellen für den Innenbereich immer noch Barrieren im Wege stehen, obwohl diese benötigt werden, um die wachsende Anzahl von Geräten im „Internet der Dinge“ (IoT) mit Strom zu versorgen. Kesterit-Werkstoffe bieten eine vielversprechende Lösung: Sie sind reichlich vorhanden, vergleichsweise ungiftig und stabil. Dennoch bestehen bei Kesteriten Herausforderungen aufgrund der mit der Innenbeleuchtung verbundenen Schwierigkeiten. „LED-Licht in Innenräumen ist viel schwächer als Sonnenlicht und konzentriert sich auf den sichtbaren Bereich, sodass für den Außenbereich optimierte Kesterite nicht ideal sind“, erklärt Edgardo Saucedo(öffnet in neuem Fenster), leitender Wissenschaftler an der Polytechnischen Universität Katalonien(öffnet in neuem Fenster) (UPC) – BarcelonaTech und Projektkoordinator von LEKPV. „Die Arbeit von LEKPV hatte daher zum Ziel, Kesteritmaterialien und -bauteile speziell für die Energiegewinnung in Innenräumen im Bereich des Internets der Dinge (IoT) und der Elektronik mit geringem Stromverbrauch zu entwickeln.“ Im Rahmen des Projekts LEKPV, das innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, kombinierten Saucedo und seine Gruppe fortgeschrittene Simulationen mit umweltfreundlichen Verfahren und neuartigen Designs für Kesterite, mit dem Ziel, deren Wirkungsgrad zu verbessern und eine neue Welle der Photovoltaiktechnologien für den Innenbereich auszulösen. „Da Kesterite mit kostengünstigen, skalierbaren Lösungsverfahren bearbeitet werden können und reichlich vorhandene Elemente genutzt werden, bieten sie vielversprechendes Potenzial für zukünftige großmaßstäbliche Anwendungen der Energiegewinnung in Innenräumen“, merkt Yuancai Gong an, Postdoktorand an der UPC und leitender Wissenschaftler des Projekts LEKPV.
Gezielte technische Entwicklung in Richtung Innenbeleuchtung
Die Forschungsgruppe kombinierte modernste Bauteilesimulationen, die lösungsbasierte Absorberherstellung und gezielte Gerätekonstruktion, um Kesterit-Solarzellen für die Lichtsammlung in Innenräumen zu erforschen und zu optimieren. Sie führte komplexe Simulationen durch, um den am besten geeigneten Bandlückenbereich und die wichtigsten Verlustmechanismen unter LED-Beleuchtung zu ermitteln. Mithilfe einer Reihe von Experimenten entwickelte das Forschungsteam molekulare Tinte und spezifische Verfahren zur Verarbeitung in Lösung, damit Kesterit-„Absorber“ auf Oberflächen aufgetragen werden konnten. Anschließend passte es die Zusammensetzung der Kesterite an, beispielsweise durch Zugabe von Germaniumlegierungen, um die Gesamteigenschaften der Werkstoffe zu verbessern. Außerdem optimierte es die Grenzfläche der Absorber, dort, wo die lichtabsorbierende Schicht auf andere Schichten eines Elements trifft, um die Leistung bei schwachem Licht zu steigern.
Weltweit führender Wirkungsgrad
Ein wichtiges veröffentlichtes Ergebnis war eine spezielle Kesterit-Solarzelle für den Innenbereich, die einen Wirkungsgrad von 15,1 % erreichte, während legierte Bauteile unter LED-Bedingungen im Innenbereich Wirkungsgrade von bis zu etwa 18 % aufwiesen. „Das ist bislang der weltweit höchste Wirkungsgrad, über den für diese Technologie berichtet wurde“, erläutert Saucedo. „Das Team von LEKPV hat vorgeführt, dass Kesterit-Solarzellen eine vielversprechende Technologie für die Photovoltaik in Innenräumen sind, insbesondere wenn ihre Bandlücke und Defekteigenschaften auf LED-Beleuchtung zugeschnitten sind“, merkt Saucedo an. Zwar ist die Technologie noch nicht zum sofortigen Markteinsatz bereit, doch sind die Projektergebnisse von direkter Relevanz für autarke IoT-Sensoren, Bauteile für intelligente Gebäude und Elektronik mit geringem Stromverbrauch, wo der Ersatz oder die Reduzierung der Anzahl von Einwegbatterien einen wichtigen Markttreiber darstellt. Saucedo merkt an, dass die Projektergebnisse beweisen, dass bei Photovoltaiktechnologien für den Innenbereich nicht einfach Materialien und Konzepte wiederverwendet werden sollten, die für Solartechnik im Außenbereich entwickelt wurden. „Die Lichtgewinnung in Innenräumen erfordert spezielles Materialdesign, spezielle Testprotokolle und spezielle Bauteileoptimierung“, fügt er hinzu. „Kesterit ist in diesem Zusammenhang besonders interessant.“
Validierung in realen Umgebungen auf dem Weg
Die Forschungsgruppe plant, den Wirkungsgrad, die Reproduzierbarkeit und die Betriebsstabilität der Bauteile weiter zu verbessern und dabei von Zellen mit kleiner Fläche zu Minimodulen und -demonstratoren überzugehen. „Die weiteren Arbeiten werden sich auf die Verfeinerung der Absorberzusammensetzung, die Reduzierung defektbedingter Verluste, die Optimierung der Grenzflächen und die Validierung der Elemente unter realen Innenraumbedingungen konzentrieren“, teilt Saucedo mit. „Außerdem verfolgen wir das Ziel, die Zusammenarbeit mit Forschenden und potenziellen Endnutzenden in den Bereichen Photovoltaik für den Innenbereich, IoT und Anwendungen für intelligente Gebäude zu verstärken, damit die wissenschaftlichen Ergebnisse näher an die praktische Anwendung herangeführt werden können.“
