01.09.2021
Herstellung eines Solarkonzentrators

Herstellung eines Solarkonzentrators

Quelle: BAM, Fachbereich Biophotonik und Fachbereich Oberflächenanalytik und Grenzflächenchemie

Die zunehmende Besorgnis über die globale Erwärmung erfordert die Entwicklung nachhaltiger, umweltfreundlicher und effizienter Energietechnologien wie der Photovoltaik (PV). Um Kosten zu senken und Nutzungsflächen von PV-Zellen auf Siliziumbasis zu vergrößern, wurden lumineszierende Solarkonzentratoren (LSC) entwickelt. Ein LSC basiert auf einem halbtransparenten optischen Wellenleiter, in den Chromophore eingebettet sind, die direktes und diffuses Sonnenlicht absorbieren und es bei längeren Wellenlängen abstrahlen. Dieses Licht wird durch interne Totalreflexion zu den LSC-Rändern geleitet, wo es von PV-Zellen in Strom umgewandelt wird. So können die Menge des teuren PV-Materials reduziert, Produktionskosten gesenkt und die Energieumwandlungseffizienz aufgrund der größeren aktiven Fläche der Solarzellen verbessert werden. Solche LSCs können in Fensterfassaden und Dächer integriert werden, wodurch die nutzbare Fläche für PV-Solarzellen vergrößert wird.

Vor kurzem haben sich anorganische Halbleiter-Quantenpunkte (QDs) mit größenabhängigen optischen Eigenschaften als neue Materialklasse für die LSC-Technologie herauskristallisiert. Vorteilhaft sind ihre breiten Absorptionsspektren, ihre hohen Absorptionskoeffizienten, ihre Emission in einem Spektralfenster, in dem PV-Zellen eine optimale Energieumwandlungseffizienz aufweisen, ihre hohe Photolumineszenz (PL)-Effizienz (Quantenausbeute, PL QY) und ihre große photochemische Stabilität. Obwohl binäre QDs aus Elementen der Gruppen II/VI und IV-VI in LSC und Solarzellen eingesetzt werden, initiierten Beschränkungen der Europäischen Union für Elemente wie Cadmium und Blei die Suche nach umweltfreundlicheren QDs. Alternativen sind ternäre CuInS2 (CIS)- und AgInS2 (AIS)-QDs, die breite Emissionsspektren im sichtbaren und nahen Infrarot haben sowie eine hohe Photolumineszenz-Effizienz und in Wasser in hoher Qualität hergestellt werden können.

Mit dem Ziel der umweltfreundlichen Herstellung effizienter LSC haben wir eine einfache mikrowellenunterstützte Synthese stark emittierender AIS-QDs entwickelt, die mit einer ZnS-Schale passiviert und mit hydrophilen Thiol-Liganden stabilisiert sind. Nach Austausch der hydrophilen gegen hydrophobe Liganden wurden diese AIS/ZnS-QDs durch eine Photopolymerisation in Polylaurylmethacrylat eingebettet. Die Bauelemente zeigen PL QY von 60 %, optische Leistungseffizienzen von 3,6-3,8 % und optische Quanteneffizienzen von 24,1-27,4 %, die zu den höchsten bisher berichteten Werten gehören.

Efficient Luminescent Solar Concentrators Based on Environmentally Friendly Cd-Free Ternary AIS/ZnS Quantum Dots
Lorena Dhamo, F. Carulli, Philip Nickl, Karl David Wegner, Vasile-Dan Hodoroaba, Christian Würth, S. Brovelli, Ute Resch-Genger
erschienen in Advanced Optical Materials, Aufsatznr. 2100587, 2021
BAM Fachbereich Biophotonik und Fachbereich Oberflächenanalytik und Grenzflächenchemie