Ein Forscherteam der deutschen Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg hat einen großen Fortschritt in der Solartechnologie vorgestellt und eine Möglichkeit aufgezeigt, die von bestimmten Materialien erzeugte Strommenge erheblich zu steigern. Ihr Ansatz besteht darin, ultradünne Schichten verschiedener Kristalle in einer präzisen Reihenfolge zu stapeln, um einen Solarabsorber zu schaffen, der weitaus leistungsfähiger ist als herkömmliche Materialien.
Im Mittelpunkt der in Science Advances veröffentlichten Entdeckung steht Bariumtitanat (BaTiO₃), ein Material, das für seine Fähigkeit bekannt ist, Licht in Elektrizität umzuwandeln, obwohl es allein nicht sehr effizient ist.
Wissenschaftler fanden heraus, dass sie durch die Einbettung dünner Bariumtitanatschichten zwischen zwei anderen Materialien, Strontiumtitanat und Kalziumtitanat, eine Struktur schaffen konnten, die mehr Strom erzeugte als Bariumtitanat allein, selbst wenn weniger Bariumtitanat verwendet wurde.
Diese Verbesserung ist bemerkenswert. Diese Schichtstruktur erzeugt bis zu 1.000-mal mehr Strom als die gleiche Menge Bariumtitanat allein. Die Forscher konnten diesen Effekt auch feinabstimmen, indem sie die Dicke jeder Schicht anpassten und so die Leistung des Systems steuerten.
„Wichtig ist hier, dass ferroelektrische Materialien austauschbar mit paraelektrischen Materialien verwendet werden“, sagte Dr. Akash Bhatnagar, der die Forschung leitete, gegenüber Bright News. Er stellte fest, dass paraelektrische Materialien zwar nicht auf natürliche Weise Ladungen trennen, sich aber unter besonderen Bedingungen, etwa bei niedrigen Temperaturen oder bei geringfügigen Strukturänderungen, wie Ferroelektrika verhalten können.
Bariumtitanat kann Licht in Elektrizität umwandeln, obwohl es allein nicht sehr effizient ist.
Die Wissenschaft hinter diesem Leistungssprung liegt in der Interaktion zwischen den Schichten. Wenn diese Materialien gestapelt werden, ändert sich ihre Fähigkeit, Licht zu absorbieren und die Ladung zu verwalten. Der Schichtaufbau verbessert die Absorption des Sonnenlichts und fördert die Erzeugung frei beweglicher Ladungen, die für die Stromerzeugung entscheidend sind.
„Wechselwirkungen zwischen den Gitterschichten scheinen zu einer höheren Dielektrizitätskonstante zu führen – mit anderen Worten, Elektronen können aufgrund der Anregung durch sichtbare Photonen leichter fließen“, sagte Bhatnagar.
Um das neue Material herzustellen, verdampfte das Team die Kristalle mit Hochleistungslasern und lagerte sie dann wieder in nur 200 Nanometer dicken Schichten ab. Letztendlich bauten sie eine Struktur aus 500 gestapelten Schichten auf.
Bei Tests unter Laserbestrahlung erzeugte dieses „Kristallsandwich“ einen 1.000-mal stärkeren elektrischen Strom als reines Bariumtitanat gleicher Dicke, obwohl es zwei Drittel weniger Photovoltaikkomponenten enthielt. Der Effekt erwies sich als sehr stabil und blieb über sechs Monate nahezu konstant.
Diese Technologie hat weitreichende Auswirkungen auf die Solarenergie. Mit dieser Technologie hergestellte Solarmodule sind effizienter und nehmen weniger Platz ein als aktuelle Solarzellen auf Siliziumbasis, was besonders in städtischen Umgebungen mit begrenztem Platzangebot attraktiv ist. Da außerdem keine spezielle Verpackung erforderlich ist, ist das Material einfacher herzustellen und langlebiger.
Während weitere Forschung erforderlich ist, um die Mechanismen dahinter vollständig zu verstehen, verheißen die Ergebnisse Gutes für die Zukunft von Solarmodulen und Lichtenergiegeräten. Durch die geschickte Schichtung verschiedener Materialien haben Wissenschaftler die Tür für eine effizientere Nutzung von Lichtenergie zur Stromerzeugung geöffnet und möglicherweise die Art und Weise, wie wir Sonnenenergie nutzen, revolutioniert.