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Theoretisch sind zwei Schichten besser als eine für den Solarzellenwirkungsgrad

Solarzellen haben einen langen Weg zurückgelegt, aber preiswerte Dünnschicht-Solarzellen sind immer noch weit hinter teureren kristallinen Solarzellen im Wirkungsgrad zurück. Nun schlägt ein Forscherteam vor, dass die Verwendung von zwei Dünnfilmen aus unterschiedlichen Materialien der Weg sein könnte, um erschwingliche Dünnfilmzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 34% herzustellen.

„Vor zehn Jahren wusste ich sehr wenig über Solarzellen, aber mir wurde klar, dass sie sehr wichtig sind“, sagte Akhlesh Lakhtakia, Professor an der Evan Pugh University und Charles Godfrey Binder Professor of Engineering Science and Mechanics, Penn State.

Als er das Feld untersuchte, stellte er fest, dass Forscher sich Solarzellen von zwei Seiten näherten, der optischen Seite – mit Blick darauf, wie das Sonnenlicht gesammelt wird – und der elektrischen Seite – mit Blick darauf, wie das gesammelte Sonnenlicht in Strom umgewandelt wird. Optische Forscher bemühen sich, die Lichterfassung zu optimieren, während elektrische Forscher bestrebt sind, die Umwandlung in Elektrizität zu optimieren, wobei beide Seiten die andere vereinfachen.

„Ich habe mich entschieden, ein Modell zu erstellen, bei dem sowohl elektrische als auch optische Aspekte gleich behandelt werden“, sagte Lakhtakia. „Wir mussten den tatsächlichen Wirkungsgrad erhöhen, denn wenn der Wirkungsgrad einer Zelle weniger als 30% beträgt, macht das keinen Unterschied.“ Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in einer aktuellen Ausgabe der Applied Physics Letters.

Lakhtakia ist Theoretiker. Er stellt keine dünnen Filme in einem Labor her, sondern erstellt mathematische Modelle, um die Möglichkeiten von Konfigurationen und Materialien zu testen, damit andere die Ergebnisse testen können. Das Problem, sagte er, sei, dass die mathematische Struktur der Optimierung des Optischen und des Elektrischen sehr unterschiedlich sei.

Solarzellen scheinen einfache Geräte zu sein, erklärte er. Eine klare Deckschicht lässt Sonnenlicht auf eine Energieumwandlungsschicht fallen. Das zur Energieumwandlung gewählte Material absorbiert das Licht und erzeugt Ströme aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Löchern, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen.

Die unterschiedlich geladenen Partikel werden auf eine obere Kontaktschicht und eine untere Kontaktschicht übertragen, die den Strom zur Nutzung aus der Zelle leiten. Die Menge an Energie, die eine Zelle produzieren kann, hängt von der Menge des gesammelten Sonnenlichts und der Fähigkeit der Konversionsschicht ab. Unterschiedliche Materialien reagieren auf Licht unterschiedlicher Wellenlängen und wandeln es um.

„Mir wurde klar, dass wir zur Steigerung der Effizienz mehr Licht absorbieren mussten“, sagte Lakhtakia. „Dazu mussten wir die Saugschicht auf besondere Weise inhomogen machen.“

Dieser besondere Weg bestand darin, zwei verschiedene absorbierende Materialien in zwei verschiedenen dünnen Filmen zu verwenden. Für die Schichten wählten die Forscher kommerziell erhältliches CIGS – Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid – und CZTSSe – Kupfer-Zink-Zinn-Schwefel-Selenid. An sich beträgt die Effizienz von CIGS etwa 20% und die von CZTSSe etwa 11%.

Diese beiden Materialien funktionieren in einer Solarzelle, weil die Struktur beider Materialien gleich ist. Sie haben ungefähr die gleiche Gitterstruktur, sodass sie übereinander gezüchtet werden können, und sie absorbieren unterschiedliche Frequenzen des Spektrums, sodass sie laut Lakhtakia die Effizienz erhöhen sollten.

„Es war unglaublich“, sagte Lakhtakia. „Gemeinsam produzierten sie eine Solarzelle mit 34%-Effizienz. So entsteht eine neue Solarzellenarchitektur – Schicht für Schicht. Andere, die tatsächlich Solarzellen herstellen können, können andere Formulierungen von Schichten finden und es vielleicht besser machen.“

Laut den Forschern besteht der nächste Schritt darin, diese experimentell zu erstellen und zu sehen, welche Optionen bestehen, um die endgültigen, besten Antworten zu erhalten.

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