Neue Entdeckungen eines Forscherteams vom Technion, der BGU und dem HZB bringen das Verständnis von Halbleitern voran, womit man die Ernte von Sonnenenergie auf das nächste Level heben kann. Der Umweg, den Energieertrag aus Solaranlagen über große, teure Batteriespeicher zu speichern, dürfte bald nicht mehr notwendig sein. Technion, BGU und HZB haben einen vielversprechenden Weg gefunden, Solarenergie kostengünstiger und langfristig zu speichern.
Das Technion führt in seiner aktuellen Pressemitteilung aus: “Photovoltaische Solarzellen sind Geräte, die Sonnenlicht in Strom umwandeln. Sonnenlicht ist jedoch nur einige Stunden am Tag verfügbar. Um nachts oder an bewölkten Tagen genutzt werden zu können, muss die Energie gespeichert werden, um eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten.
Ein Ansatz dafür ist, Akkus tagsüber mit Sonnenenergie aufzuladen und sie nachts ins Netz zu entladen. Dies erfordert große Batteriespeicher, die die Kosten für Solarstrom erhöhen und nur für die kurzfristige Speicherung effektiv sind. Eine langfristige, saisonale Speicherung erfordert andere Lösungen.
Ein anderer Ansatz, der Gegenstand von Studien von Professor Avner Rothschild vom Technion – Institute of Technology und seiner Forschungsgruppe ist, ist die Verwendung von photoelektrochemischen Zellen, die das Sonnenlicht nicht in Elektrizität, sondern in Wasserstoffkraftstoff umwandeln, der durch Aufspaltung von Wassermolekülen (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) erzeugt wird.
Neue Entdeckungen von Technion-, BGU- und HZB-Wissenschaftlern fördern das Verständnis von Halbleitern für die Gewinnung von Sonnenenergie
(c) Technion
Der gespeicherte Wasserstoff kann später zur Stromerzeugung oder für andere Zwecke verwendet werden, z. B. zum Heizen, zum Betanken von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen und für verschiedene industrielle Prozesse wie die Stahlherstellung, die petrochemische Raffination und die Ammoniakproduktion.
Das Herzstück sowohl von photovoltaischen als auch von photoelektrochemischen Solarzellen ist ein Halbleiter-Photoabsorber – ein Material, das Photonen absorbieren und freie Ladungsträger (Elektronen und Löcher) erzeugen kann, die zum Photostrom beitragen. Aber wo kommerzielle Solarzellen Silizium für diesen Zweck verwenden, müssen photoelektrochemische Zellen auf andere Materialien zurückgreifen, die eine größere Kompatibilität zu den Bedingungen aufweisen, unter denen die Zelle arbeiten muss, wie zum Beispiel Stabilität in wässrigen Elektrolyten.
Ein vielversprechendes Material für diesen Zweck ist Hämatit, eine häufig vorkommende Form von Eisenoxid, dessen chemische Zusammensetzung der von Rost ähnelt. Bislang hat Hämatit die Wissenschaftler jedoch frustriert: Trotz eines halben Jahrzehnts Forschung konnten sie aus ihm weniger als 50 % der in der Theorie vorhergesagten solaren Energieumwandlungseffizienz erzielen.
Die Gruppe von Prof. Rothschild zeigt nun in einem Artikel in Nature Materials, warum dies der Fall ist, und präsentiert einen neuen Weg, um die tatsächliche Effizienzgrenze abzuschätzen, die mit Hämatit und anderen Halbleitern erreicht werden kann.
Die Gruppe postuliert, dass der Effizienzverlust in Hämatit nicht nur durch die Rekombination von Ladungsträgern verursacht wird, ein bekannter Effekt, der durch Nanostrukturierung und Lichtfangtechniken gemildert werden kann, sondern auch durch interne Licht-Materie-Wechselwirkungseffekte entsteht, die durch diese Ansätze nicht gemildert werden können. Nach ihrer Hypothese wird ein Teil der durch absorbierte Photonen angeregten Elektronen in elektronische Zustände angeregt, die sich innerhalb des Materials nicht frei bewegen können. Die absorbierten Photonen, die zu diesen lokalisierten elektronischen Übergängen führen, werden somit “verschwendet”, ohne zum Photostrom beizutragen.”
English Version
New discoveries by a team of researchers from the Technion, BGU and HZB are advancing the understanding of semiconductors, which can be used to take solar energy harvesting to the next level. The detour of storing energy output from solar arrays via large, expensive battery storage may soon no longer be necessary. Technion, BGU and HZB have found a promising way to store solar energy more cost-effectively and over the long term.
The Technion states in its recent press release, “Photovoltaic solar cells are devices that convert sunlight into electricity. However, sunlight is only available for a few hours a day. To be used at night or on cloudy days, the energy must be stored to ensure a stable power supply.
One approach to this is to charge batteries with solar energy during the day and discharge them to the grid at night. This requires large battery storage systems, which increase the cost of solar power and are only effective for short-term storage. Long-term, seasonal storage requires other solutions.
Another approach, the subject of studies by Professor Avner Rothschild of the Technion – Institute of Technology and his research group, is the use of photoelectrochemical cells that convert sunlight not into electricity but into hydrogen fuel produced by splitting water molecules (H2O) into hydrogen (H2) and oxygen (O2).
The stored hydrogen can later be used to generate electricity or for other purposes, such as heating, fueling fuel cell electric vehicles, and various industrial processes such as steel production, petrochemical refining, and ammonia production.
At the heart of both photovoltaic and photoelectrochemical solar cells is a semiconductor photoabsorber – a material that can absorb photons and generate free charge carriers (electrons and holes) that contribute to photocurrent. But where commercial solar cells use silicon for this purpose, photoelectrochemical cells must rely on other materials that have greater compatibility with the conditions under which the cell must operate, such as stability in aqueous electrolytes.
One promising material for this purpose is hematite, a common form of iron oxide whose chemical composition is similar to that of rust. So far, however, hematite has frustrated scientists: Despite half a decade of research, they have been able to obtain from it less than 50% of the solar energy conversion efficiency predicted in theory.
Prof. Rothschild’s group now shows why this is the case in an article in Nature Materials, presenting a new way to estimate the actual efficiency limit that can be achieved with hematite and other semiconductors.
The group postulates that the efficiency loss in hematite is not only caused by charge carrier recombination, a well-known effect that can be mitigated by nanostructuring and light trapping techniques, but also arises from internal light-matter interaction effects that cannot be mitigated by these approaches. According to their hypothesis, some of the electrons excited by absorbed photons are excited into electronic states that cannot move freely within the material. The absorbed photons leading to these localized electronic transitions are thus “wasted” without contributing to the photocurrent.”