Kürzlich ist mir eine ziemlich seltsame Solartechnik aufgefallen. Vor Ihnen
liegen drei neue Erfindungen für alle Arten von Zauberkünstlern:
eine Beschichtung, die eines Tages Objekte in Miniatur-Solarmodule verwandeln könnte,
eine Memory-Legierung, die Module in verschiedene Formen bringen kann, und ein Farbstoff, der
ein Solarpanel in … ein leistungsstärkeres verwandeln kann Solarpanel. Jedes kleine bisschen zählt.
Diese Konzepte werden möglicherweise für eine Weile nicht in nutzbare Technologie umgesetzt. Doch während der Einsatz und die Kommerzialisierung der Solarenergie
weiterhin rasch voranschreiten,
macht es immer noch Spaß, einen Moment innezuhalten und die seltsamen kleinen Dinge zu betrachten, die Wissenschaftler
dabei entdecken. Sie könnten später zu einigen interessanten Entwicklungen führen.
Was ist also die Geschichte hinter diesen Experimenten? Und kann dabei tatsächlich etwas Praktisches herauskommen?
Ich bin Matt Ferrell … willkommen bei Undecided. Dieses Video wird Ihnen von Incogni präsentiert.
Haben Sie sich schon einmal eine Chemiedemonstration angeschaut und dabei an die antike Alchemie gedacht,
oder sind Sie auf einen Showstopper auf einer Tech-Expo gestoßen und haben sich gefragt, ob man es
irgendwann einmal als Zauberei bezeichnet hätte ? Die Grenze zwischen Wissenschaft und Magie kann verschwimmen,
insbesondere wenn neue Technologien geradezu bizarr wirken. Aber für Laborforscher ist es nur
ein ganz normaler Arbeitstag. Ich musste tiefer in diese Entwicklungen eintauchen, weil ... nun, Sie werden sehen.
Perowskite kommen auf diesem Kanal häufig vor, und das aus gutem Grund: Sie sind leistungsstark und
erreichen im Labor einen Wirkungsgrad von 25 % – was etwas höher ist als das, was wir normalerweise in einer
kommerziellen Silizium-Solarzelle sehen. Aber sie verbessern sich immer noch. Aber es geht nicht nur um Effizienz;
Perowskite sind dünn, flexibel und vielseitig und ermöglichen einige bahnbrechende Anwendungsfälle.
Forscher der Physikabteilung der Universität Oxford entwickelten eine ultradünne Perowskit-
Beschichtung mit einer Dicke von etwas mehr als einem Mikrometer – fast 150-mal dünner als ein Siliziumwafer. Üblicherweise
sinkt der Wirkungsgrad bei so dünnen Zellen auf etwa 7 bis 18 %, aber Oxford hat dieses Problem
mit Mehrfachzellen gelöst, bei denen Schichten gestapelt wurden, um mehr Lichtspektrum einzufangen und
den Wirkungsgrad zu steigern. Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie eine Reihe komplementärer Solarzellen schichten, die alle auf unterschiedliche
Lichtwellenlängen abgestimmt sind. Wenn sie zusammenarbeiten, können sie einen größeren Teil des Lichtspektrums einfangen
und dadurch mehr Saft aus einer bestimmten Menge Sonnenlicht herausholen.
Oxfords neue flexible Perowskite erreichen unter Laborbedingungen einen Wirkungsgrad von 27 %, was
vom japanischen National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) bestätigt wurde. Und das
könnte erst der Anfang sein. Shuaifeng Hu vom Oxford-Team stellte fest, dass
der Wirkungsgrad ihres Geräts in nur fünf Jahren von 6 % auf 27 % gestiegen sei, was darauf hindeutet, dass zukünftige Iterationen
mit weiteren Multi-Junction-Optimierungen über 45 % hinausgehen könnten. Das wäre unglaublich ... wenn sie es schaffen würden.
Das ist alles schön und gut, aber so seltsam ist es doch auch nicht, oder? Es ist
seit einiger Zeit bekannt, dass Perowskite Silizium übertreffen. Und obwohl ein Wirkungsgrad von 45 % bahnbrechend sein könnte,
ist es immer noch nur ein „Könnte“. Also, lasst uns seltsam werden. Das Oxford-Team glaubt, dass diese ultradünne Beschichtung
Alltagsgegenstände in Sonnenkollektoren verwandeln könnte. Wie Teammitglied Junke Wang es ausdrückt:
„Wir können uns vorstellen, Perowskit-Beschichtungen auf breitere Arten von Oberflächen aufzutragen, um
billigen Solarstrom zu erzeugen, etwa auf die Dächer von Autos und Gebäuden und sogar auf die
Rückseiten von Mobiltelefonen. “ Wenn auf diese Weise mehr Solarenergie erzeugt werden kann, können wir davon ausgehen, dass
auf längere Sicht weniger Bedarf für den Einsatz von Siliziumpaneelen oder den Bau von immer mehr Solarparks besteht.“
Die Kosten für Solarenergie sind zwischen 2010
und 2021 um über 80 % gesunken, und da die Fertigungstechnologie besser wird und Solarenergie immer beliebter wird,
werden sie weiter sinken. Im Moment (und in absehbarer Zukunft)
ist der Kauf der riesigen Landflächen für alle Ihre
PV-Module der teuerste Teil beim Bau eines Solarparks. Das Oxford-Team geht davon aus, dass der Einsatz ihrer Perowskite zur Steigerung der Effizienz von PV-Anlagen an
mehr Orten dazu beitragen könnte, den enormen Landbedarf zu reduzieren. Das Oxford-Team geht davon aus, dass seine
Technologie einen großen Einfluss auf alles haben könnte, von Versorgungsunternehmen über das Baugewerbe bis hin zur Automobilherstellung.
Jetzt machen wir eine interdimensionale Reise. Oftmals
spiegeln Solarzellenstatistiken wider, was unter idealen Bedingungen möglich ist – direktes Sonnenlicht,
perfekte Temperaturen und makellose Laborbedingungen. Aber in der realen Welt,
insbesondere zu Hause, sind PV-Anlagen mit Wolken, Bäumen, Staub, Schnee und vielem mehr konfrontiert, die ihr Licht blockieren.
Wie können wir also das Beste aus unseren Solarzellen herausholen, wenn sie sich nicht in einem idealen Zustand befinden? Nun,
Wissenschaftler des Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) haben einen Vorschlag: diesen.
Trotz des Anscheins ist dies keine LeMarchand-Box
oder etwas von Hellraiser, aber sie ist genauso seltsam. Dies ist das neueste dreidimensionale,
formverändernde PV-Modul. Natürlich existieren die meisten Solarmodule bereits in drei Dimensionen,
aber „3D-Module“ wie dieses sind darauf ausgelegt, Sonnenenergie aus mehreren
Richtungen zu sammeln und nicht nur aus einer (oder zwei, im Fall von bifazialen Solarmodulen).
Wie sammeln PVs unter nicht idealen Bedingungen mehr Licht? Schauen wir uns unser reales Szenario noch einmal an:
Sonne und Erde bewegen sich ständig, daher ist die Optimierung der Ausrichtung der Solarmodule von entscheidender Bedeutung. Auf
der Nordhalbkugel bedeutet das normalerweise, dass die Paneele nach Süden ausgerichtet sind. Was aber, wenn ein Baum,
ein Hügel oder eine große Werbetafel den Weg versperrt? Oder fehlt Ihrem Haus vielleicht genügend
südseitige Dachfläche? Ich bin selbst auf dieses Problem gestoßen.
Es gibt einige Problemumgehungen, aber sie sind nicht
perfekt. Sie könnten an weniger idealen Stellen weitere Module anbringen oder Solar-Tracking-
Geräte verwenden, um die Sonneneinstrahlung zu maximieren. Allerdings treiben beide Optionen die Kosten in die Höhe.
Das bringt uns zurück zu den 3D-Solarmodulen, die KERI entwickelt. Mit ihrer
mehrdimensionalen Struktur fangen diese Module Licht aus mehreren Richtungen ein und
maximieren so die Energie unter nicht idealen Bedingungen. Es ist wie der brutale
Ansatz, bei dem man mehr Paneele auf einem Dach anbringt, nur mit einer Besonderheit.
Bevor ich auf diese Wendung eingehe, gibt es noch ein weiteres Tool, das ich verwendet habe, um bei einer anderen
nicht idealen Erkrankung zu helfen: den Schutz Ihrer Online-Privatsphäre beim heutigen Sponsor
Incogni. Während meine Frau und ich unser Haus bauen ließen, Kredite aufbauten, Versicherungen abschlossen
und alles andere, was mit einem Umzug zu tun hat, bemerkte ich einen deutlichen Anstieg der Menge an Spam-
Werbe-E-Mails, die ich erhielt. Ich bin mir sicher, dass auch Sie so etwas schon einmal erlebt haben. Das ist passiert
, weil Unternehmen meine Daten an Datenbroker verkauft haben ... manchmal verkaufen sie Ihre Daten an
einige ziemlich zwielichtige Leute. Oder sie werden Opfer von Datenverstößen, die Ihre Daten an Betrüger weitergeben.
Incogi kann dabei helfen. Wir haben das Recht, von Datenbrokern die Löschung unserer Informationen zu verlangen,
aber das kostet viel Zeit und Mühe. Ich habe mich bei Icogni angemeldet, ihnen das gesetzliche Recht gegeben,
in meinem Namen zu arbeiten, und dann … habe ich mich einfach zurückgelehnt und entspannt. Sie sehen in Ihrem Konto Aktualisierungen, für
welche Datenbroker sie ebenfalls rechtliche Anfragen gesendet haben und welche diesen nachgekommen sind. Es könnte nicht
einfacher sein. Incogi hat mir wirklich geholfen. Wenn Sie einen Teil der Kontrolle darüber zurückgewinnen möchten,
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und an euch alle für die Unterstützung des Kanals. Also zurück zu KERIs interessanter Variante der Solarenergie.
KERIs früherer Entwurf verwendete halbflexible PVs aus Dreiecken, die an einem Metalltextil befestigt waren
, das sich wie Origami falten ließ und den Einsatz an unkonventionellen Orten ermöglichte – Bänken, Markisen
oder sogar Telefonmasten. Darauf aufbauend entwickelten die Forscher eine
Gedächtnislegierung, die es den PVs ermöglicht, der Sonne ohne Motoren zu folgen und sich in 3D-Formen zu verändern,
um Licht aus allen Winkeln einzufangen. Es ist kein Optimus Prime, aber es ist ein cleverer Transformator, der
die Effizienz im Vergleich zu einer flachen, stationären PV-Anlage, die den ganzen Tag über nach Süden ausgerichtet ist, um 60 % steigert.
KERI vergleicht sein Gerät nicht mit anderen Sonnentrackern,
daher rücken sie sich selbst ins beste Licht – Wortspiel beabsichtigt. Aber im Gegensatz zu motorisierten Trackern
vermeiden die PVs von KERI diese zusätzlichen Fehlerquellen.
Ist Ihnen das immer noch nicht seltsam genug? Nun
untersucht KERIs neueste Studie „Elektrische Energie aus Schatten und Innenräumen: Solarzellen unter diffusen Lichtbedingungen“, wie viel diffuses Licht
in städtischen und Innenräumen vorhanden ist – es wird von Wolken, glänzenden Gebäuden,
Autos und Innenflächen wie Wänden reflektiert und Tische. Dies ist eine sehr theorielastige Arbeit,
aber die Ergebnisse der Autoren zeigen, dass es in städtischen und Innenräumen
viel mehr diffuses Licht gibt, als man zunächst erwarten würde. Da ist zunächst das diffuse Licht, das durch
Wolken dringt. Es wird von den glänzenden Glas-, Stahl- und polierten Steinfassaden der Umgebung reflektiert
Gebäude. Es prallt von vorbeifahrenden Autos ab. Dann gibt es in Städten alle Arten von elektrischem Licht,
und das gesamte Licht wird von verschiedenen Oberflächen in Innenräumen wie Tischen und Wänden reflektiert.
Obwohl sich die Studie auf 2D-PVs konzentriert, schlägt KERI vor, dass ein 3D-Modul der nächste Schritt wäre
. Wenn Licht aus jedem ungeraden Winkel einfällt, könnte eine formverändernde 3D-PV das Beste daraus machen.
Während ich immer skeptisch gegenüber Studien bin, die ihr eigenes Gerät als Lösung vorschlagen,
könnte die Technologie von KERI, wenn sie sich bewährt, den Weg für PVs ebnen, die auch unter nicht idealen Bedingungen gut funktionieren.
Und wo wir gerade dabei sind, etwas anzuschauen: Überprüfen Sie, ob Sie den Kanal abonniert haben. Ich habe
viele Nachrichten von Leuten erhalten, die dachten, sie wären abonniert, es aber nicht sind. Wenn Sie
glauben, dass ich es verdient habe, hilft das Abonnieren und Drücken der Benachrichtigungsglocke nicht nur dabei, sicherzustellen, dass Sie
kein Video verpassen, sondern es hilft auch beim allmächtigen YouTube-Algorithmus. Wie auch immer, zum nächsten …
Flexibilität ist großartig, aber wie wäre es mit einer Solarzelle mit etwas Tinte? Kein
Tattoo – sondern ein Farbstoff, der mehr Licht in die Solarzelle konzentriert. Das
haben Forscher der Schlesischen Technischen Universität in Polen ausgedacht.
Diese Farbstoffkonzentratorzellen ähneln farbstoffsensibilisierten Zellen (DSSCs),
weisen jedoch einen entscheidenden Unterschied auf. Typischerweise funktionieren Solarmodule so, dass sie Silizium dem Sonnenlicht aussetzen und
so Elektronen und „Löcher“ lösen. Wenn wir diese einfangen können, bevor sie sich absetzen, erhalten wir
nutzbaren elektrischen Strom. Betrachten Sie es wie eine Partie Billard. Stellen Sie sich vor, dass die Spielkugel
das Sonnenlicht ist und der Rest auf dem Tisch unsere Elektronen und Löcher sind. Der Spielball trifft auf das Gestell,
lässt die Körper und Streifen durch die Luft fliegen, und wenn wir geschickt genug sind – oder einfach nur Glück haben – stecken wir
ein paar davon in die Taschen und erzielen Punkte – mit anderen Worten, einen nutzbaren elektrischen Strom.
DSSCs verwenden lichtempfindlichen Farbstoff anstelle von Silizium, was die Freisetzung von Elektronen erleichtert, da der
Farbstoff lichtempfindlicher ist. Die halbleitende Schicht, normalerweise Titandioxid, hilft dabei, diese
Elektronen in Bewegung zu halten. Die Verwendung von Farbstoff ist wie Billardspielen mit einem leichteren Snooker-Set. Wenn Ihr
Photonen-Break-Schuss das Gestell berührt, ermöglicht das geringere Gewicht
mehr Bewegung, so dass die Wahrscheinlichkeit größer ist, dass Sie etwas in einer der Taschen versenken und punkten.
Während sich DSSCs auf Elektronen konzentrieren, arbeiten Farbstoffkonzentratoren auf Photonen. Sie
wirken wie Linsen und fokussieren das Licht effektiver auf die Zelloberfläche,
wodurch es einfacher wird, Licht aus allen Winkeln einzufangen. Es ist, als würde man einen Trichter auf den
Billardtisch stellen (in Bars nicht zu empfehlen) und den Ball direkt in die Tasche leiten.
In der Studie steigerte roter Farbstoff die Stromerzeugung im Durchschnitt um 1,21 %. Das klingt vielleicht nicht nach viel,
aber jeder Punkt zählt. Farbstoffkonzentratoren sind außerdem einfacher herzustellen als DSSCs,
die eine komplexe Herstellung erfordern und sich nicht leicht skalieren lassen. Konzentratoren
konzentrieren sich nur auf ihre eine Aufgabe. Wie die Forscher erklärten:
„Diese Farbstoffe werden als Elemente verwendet, die die Sonnenstrahlung auf eine Siliziumzelle konzentrieren;
Sie erzeugen selbst keinen Strom und
müssen daher keine Reihe chemischer Reaktionen eingehen,
weisen keine Eigenschaften auf, die eine Verbindung mit der Leiteroberfläche ermöglichen, oder besitzen Redoxeigenschaften.“
Da Konzentratoren kein direktes Sonnenlicht benötigen, eignen sie sich hervorragend für Gebiete mit diffusem Licht,
wie z. B. bewölktes Mitteleuropa. Selbst in Regionen mit häufigen Wolken gibt es immer noch reichlich UV-Strahlung,
und Farbstoffkonzentratoren helfen dabei, dieses diffuse Licht einzufangen,
was mehr Möglichkeiten für nicht ideale Bedingungen eröffnet.
Die Vorteile hören nicht bei bewölktem Himmel auf. Selbst bei 1.000 Watt pro Quadratmeter (W/m^2) – der
Bestrahlungsstärke an einem typischen sonnigen Tag – lag die Effizienzsteigerung je nach Farbstofftyp
, Farbe und Temperatur zwischen 0,1 % und 1,1 %. Allerdings zeigten nicht alle Variablen eine Verbesserung; Vier Konfigurationen
verringerten die Effizienz bei schwachem Licht (200 W/m^2). Dennoch
steigerte der leuchtend rote Farbstoff die Leistung kontinuierlich und erreichte einen Spitzenwert von 1,21 % – ein guter Grund, die Stadt rot anzustreichen.
Das schlesische Team hofft, dass Farbstoffkonzentratoren Solarmodule effizienter machen,
den Bedarf an mehr Modulen verringern und den PV-Abfall reduzieren werden. Silizium ist zwar im Überfluss vorhanden,
aber bei einem Materialverlust von bis zu 40 % bei der Waferproduktion lohnt sich jede Reduzierung.
Wie nah sind diese Technologien also an der Markteinführung? Die Wahrheit ist, dass sie sich alle in einem frühen
Entwicklungsstadium befinden und noch viele Hürden zu überwinden sind, bevor sie auch nur annähernd
kommerzialisiert werden können. Erwarten Sie nicht, sie in absehbarer Zeit zu sehen, aber das macht sie nicht
weniger aufregend – diese Innovationen sind Bausteine ​​für etwas potenziell Revolutionäres.
Das KERI-Team beschreibt seinen 3D-Solarentwurf als „Konzeptauto“ – einen Prototyp
, der bestehende Normen in Frage stellt, aber nicht dazu gedacht ist, direkt in die Produktion zu gehen. Sie
glauben, dass ihre Kernideen Produkte der nächsten Generation inspirieren könnten, auch wenn sie nicht
genau so auf den Markt kommen, wie sie jetzt erscheinen. Angesichts der Komplexität ist dieser Ansatz sinnvoll.
In ähnlicher Weise erkennen die Forscher der Schlesischen Universität an, dass ihre Farbstoffkonzentratoren zwar
klares Potenzial haben, mehrere „Schlüsselaspekte“ jedoch noch in der Forschungsphase sind.
Sie arbeiten daran, die Platzierung zu optimieren, das Verhältnis von Konzentratoren
zu PV-Komponenten anzupassen und Farbstoffe zu entwickeln, die stabil, langlebig, umweltfreundlich
und erschwinglich in der Herstellung sind. Wissen Sie, einfache Dinge. Sie stellen außerdem fest, dass der Austausch eines Teils
der PV-Zelle durch einen Konzentrator die Gesamteffizienz verringern kann, sodass sie sich am besten für diffuse
Lichtverhältnisse oder große PV-Systeme eignen, bei denen die Vorteile die Nachteile überwiegen.
Was die Perowskit-Forschung in Oxford betrifft, gibt es immer noch keine klare Antwort auf die
berüchtigten Stabilitätsprobleme des Materials. Allerdings behauptet Oxford PV – ein Spin-off der Universität –, dass seine Tandemzellen
„alle Lebenserwartungen der Industrie erfüllen oder übertreffen“ werden und hat
in ihrer deutschen Fabrik bereits mit der Großserienfertigung dieser Perowskit-auf-Silizium-Zellen begonnen das erste
seiner Art auf der Welt. Oxford PV hat gerade seine Perowskit-Tandemmodule kommerziell auf den Markt gebracht, und
obwohl wir nicht bestätigen können, ob sie Erkenntnisse mit dem Forschungsteam teilen, wäre es keine Überraschung.
Bevor wir uns zu sehr hinreißen lassen, möchte ich uns alle für einen Moment auf den Boden der Tatsachen zurückholen
und noch einmal betonen, dass diese seltsamen Teile der PV-Technologie zwar aufregend sind, sich aber noch in der frühen
Entwicklung befinden. Es lässt sich nicht sagen, wann oder ob wir diese Tiere in freier Wildbahn sehen werden.
Der Weg zur Kommerzialisierung ist übersät mit scheinbar grundsoliden technischen Stücken, die
es nie ganz schaffen. Ich hoffe, dass all diese seltsamen, wunderbaren PV-Phänomene erfolgreich damit zurechtkommen,
denn wenn sie es schaffen, bedeutet das mehr Solarenergie. Und je mehr Solarenergie, desto besser.
Aber was denkst du? Welcher dieser Forschungsbereiche fällt Ihnen auf? Schauen Sie sich die
Kommentare an und lassen Sie es mich wissen. Hören Sie sich unbedingt meinen Folge-Podcast „Still TBD“ an, in dem wir
das Gespräch weiterführen werden. Wie immer danke ich meinen Gönnern für eure anhaltende
Unterstützung … eure Hilfe trägt wirklich dazu bei, diesen Kanal am Laufen zu halten. Wir sehen uns im nächsten.