Steigerung des Wirkungsgrades von Photovoltaik-Kraftzellen

Angesichts der Tatsache, dass Solarzellen ein oder mehrere Halbleitermaterialien verwenden, um Licht in Elektrizität umzuwandeln, und dass die Effizienz dieser Umwandlung vom Material und der Wellenlänge des Lichts abhängt, warum kann dann nicht eine optimalere Solarzelle so entworfen werden?

  1. Wählen Sie das billigste Halbleitermaterial, das möglich ist.
  2. Teilen Sie die Wellenlängen für das gesamte einfallende Licht mit einem Prisma auf.
  3. Leiten Sie das Licht mit einem Wellenlängenbereich, der am effizientesten in Strom umgewandelt wird (bei gegebenem Material), direkt zu den Halbleiterübergängen.
  4. "Konvertieren" Sie das gesamte verbleibende Licht in eine geeignetere Wellenlänge, bevor Sie es zu den Verbindungsstellen leiten.

Ich habe keine Ahnung, wie man Licht "umwandelt", aber es scheint möglich zu sein, wenn die Photonen zuerst durch ein bestimmtes Medium geleitet würden, in dem die Lichtgeschwindigkeit unterschiedlich ist. Genauer gesagt, gibt es einen gemeinsamen Weg, Licht mit einer kleinen Wellenlänge in eine höhere Wellenlänge umzuwandeln? Wenn ja, scheint das ein vernünftiges Design zu sein.

Lassen Sie uns wissen, wenn Sie Schritt 4 herausgefunden haben.
Stapelzellen leisten bereits einen Großteil davon, indem sie Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken schichten. Diese sind teurer in der Herstellung, benötigen aber kein Prismensplitting, geschweige denn den magischen Schritt 4 ...
Ja, ich war nicht sehr überzeugt von der Machbarkeit von Nr. 4. Ich bin mir jedoch immer noch nicht sicher, was passieren würde, wenn sich die Zelle in einem Medium befände, durch das die Lichtgeschwindigkeit anders ist als die von Luft. Vielleicht finde ich einen prägnanteren Weg, das separat zu fragen. Danke!

Antworten (1)

Sie erheben 4 sehr gute Punkte.

Ohne Ausnutzung von Temperaturgradienten oder Spaltung/Fusion von photogenerierten Ladungsträgern sind spektrale Aufspaltung und spektrale Modifikation die einzigen Wege zu Solarzellen mit sehr hohem Wirkungsgrad.

Anpassung der Zelle an das Spektrum

Die spektrale Aufspaltung kann auf zwei Arten erreicht werden:

  1. Selektive Reflektoren (die Licht wie ein Prisma teilen), die Photonen auf eine passende Solarzelle lenken,

  2. Solarzellen mit mehreren Übergängen.

Beide Ansätze passen das Design der Solarzelle an das Sonnenspektrum an.

Letzteres ist der gebräuchlichste Ansatz, und im Wesentlichen verwenden Sie die räumliche Anordnung und die Bandlückeneigenschaft (die für jede Zelle oder "Verbindung" unterschiedlich ist) jedes Materials, um das Spektrum auf mehrere Zellen aufzuteilen.

Der erstgenannte Ansatz wird derzeit ebenfalls untersucht, erfordert jedoch sehr optisch wirksame selektive Reflektoren und ist von Natur aus voluminöser und (wahrscheinlich) teurer.

Mehrfachsolarzellen sind der einzige wirkliche kurzfristige Ansatz für sehr hohe Wirkungsgrade. Das Design realer Zellen ist eingeschränkt, da sie nur mit Materialien gezüchtet werden können, die dieselbe Gitterkonstante aufweisen. Es gibt andere "mechanische Stapel"-Ansätze, die es ermöglichen, Materialien mit unterschiedlichen Gitterkonstanten zu stapeln, aber dies bringt viele technologische Herausforderungen mit sich.

Im Prinzip können diese Ansätze ein 86 % effizientes Gerät erreichen (mit einer unendlichen Anzahl von Übergängen oder spektralen Schnitten). Ein Grund, warum Sie Zellen nicht so effizient sehen, ist der Effekt abnehmender Erträge. Beispielsweise können Sie von einem Gerät mit einem Wirkungsgrad von 30 % auf 55 % springen, wenn Sie von einer Kreuzung zu drei wechseln. Um jedoch von 55 % auf 86 % zu kommen, werden unendlich viel mehr Knoten benötigt! Darüber hinaus trägt jedes Mal, wenn eine neue Kreuzung hinzugefügt wird, weniger zur Verbesserung der Gesamteffizienz bei. Außerdem nimmt der technologische Aufwand viel schneller zu, wenn immer mehr Kreuzungen hinzugefügt werden. Irgendwann ist eine Grenze erreicht, ab der es wenig Sinn macht, weitere Schichten hinzuzufügen.

Anpassung des Spektrums an die Solarzelle

Ihre Nr. 4 ist ein Beispiel für die Umkehrung, bei der das Spektrum modifiziert wird, um besser zur Solarzelle zu passen. Diese Ansätze werden üblicherweise Photonen-Aufwärtskonvertierung und -Abwärtskonvertierung genannt.

Dies kann durch die Verwendung eines dreistufigen Systems erreicht werden. Lassen Sie uns rekapitulieren. Normale Solarzellen und Halbleiter im Allgemeinen sind Systeme mit zwei Ebenen, was bedeutet, dass es einen einzigen dominanten optischen Übergang zwischen der unteren und der oberen Ebene gibt. Bei einem Drei-Niveau-System ist es jedoch möglich, die zusätzlichen optischen Übergänge zu verwenden, um die Energie der absorbierten Photonen zu ändern.

Bei der Aufwärtskonvertierung bewirkt ein Photon mit niedriger Energie einen Übergang von Energieniveau 1 (dem niedrigsten Energieniveau) zu Niveau 2. Dann kann ein zweites Photon mit niedriger Energie einen Übergang von Niveau 2 zu Niveau 3 (dem höchsten Niveau) bewirken. Schließlich kann das Elektron, das auf Ebene 3 befördert wurde, in einem einzigen Schritt direkt auf Ebene 1 fallen. Die zwei niederenergetischen Photonen wurden in ein hochenergetisches Photon umgewandelt.

Bei der Abwärtskonvertierung befördert ein hochenergetisches Photon ein Elektron von 1 auf 3, und durch Abfallen auf das Energieniveau 2 und dann 1 können zwei Photonen emittiert werden. Also ein hochenergetisches Photon rein und zwei niederenergetische Photonen raus.

Natürlich wäre der nächste Schritt, eine Solarzelle zu verwenden, um die umgewandelten Photonen zu sammeln. Die Auf- und Abwärtswandler selbst erzeugen keinen Strom.

Andere Ansätze

Es gibt andere Ansätze, um eine höhere Effizienz zu erreichen. In speziell entwickelten Materialien können hochenergetische Photonen mehrere Elektron-Loch-Paare erzeugen, die mehr Strom pro Photon liefern als normale Solarzellen.

Dann gibt es die Hot-Carrier-Ansätze. Wenn ein Material einen thermischen Gradienten aufrechterhält, stellt dies ein zusätzliches thermodynamisches Potenzial bereit, wodurch höhere Wirkungsgrade erreicht werden können.

Sie können sogar heiße Trägermaterialien als Spektralkonverter verwenden! An diesem Ansatz habe ich in den letzten Jahren gearbeitet.

Gute Antwort! "Spektralkonvertierung" scheint das Forschungsthema zu sein, nach dem ich gesucht habe - die Aufwärtskonvertierung von Lanthanoidionen und die Quantenabschneidungs-Abwärtskonvertierung scheinen einige der vielversprechenderen Optionen zu sein. Ich wünschte, ich könnte sagen, dass ich verstehe, was ich über Hot-Carrier-Ansätze gelesen habe, aber sie scheinen auch vielversprechend zu sein. Glauben Sie, dass das in absehbarer Zeit kommerzialisiert werden kann? Ende letzten Jahres sieht es so aus, als wäre alles ziemlich theoretischer Kram gewesen. Danke für die Antwort!
In meiner Option ist die molekulare Aufwärtskonvertierung der vielversprechendste Ansatz. Schauen Sie sich die Arbeiten aus der Gruppe von Tim Schmidt an . Heiße Träger sind ein sehr interessantes Gebiet, aber sehr langfristig. Ich habe an einigen Ansätzen gearbeitet, die versuchen, die Machbarkeit zu erhöhen , aber das alles befindet sich noch in der Proof-of-Concept-Phase.
Steigerung des Wirkungsgrades von Photovoltaik-Kraftzellen
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