Wissenschaftler des Physics Department der Universität Oxford haben einen revolutionären Ansatz entwickelt, der immer größere Mengen an Solarstrom erzeugen könnte, ohne dass Solarmodule auf Siliziumbasis erforderlich sind.

(WK-intern) – Stattdessen funktioniert ihre Innovation, indem sie ein neues, stromerzeugendes Material auf die Oberflächen von Alltagsgegenständen wie Rucksäcken, Autos und Mobiltelefonen aufschichten.

Ihr neues lichtabsorbierendes Material ist zum ersten Mal dünn und flexibel genug, um auf die Oberfläche fast jedes Gebäudes oder gewöhnlichen Objekts aufgetragen zu werden.

Mit einer bahnbrechenden Technik, die in Oxford entwickelt wurde und bei der mehrere lichtabsorbierende Schichten in einer Solarzelle gestapelt werden, haben sie einen größeren Bereich des Lichtspektrums nutzbar gemacht, so dass mit der gleichen Menge an Sonnenlicht mehr Leistung erzeugt werden kann.
Dieses ultradünne Material, das diesen sogenannten Multi-Junction-Ansatz verwendet, wurde nun unabhängig für eine Energieeffizienz von über 27 % zertifiziert und erreicht damit zum ersten Mal die Leistung herkömmlicher, einschichtiger, energieerzeugender Materialien, die als Silizium-Photovoltaik bekannt sind. Das japanische National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) gab seine Zertifizierung vor der Veröffentlichung der wissenschaftlichen Studie der Forscher im Laufe dieses Jahres ab.

„In nur fünf Jahren, in denen wir mit unserem Stacking- oder Mehrfachfachansatz experimentiert haben, haben wir den Wirkungsgrad der Energieumwandlung von etwa 6 % auf über 27 % gesteigert und damit nahe an die Grenzen dessen gebracht, was die Einschicht-Photovoltaik heute erreichen kann“, sagte Dr. Shuaifeng Hu, Postdoktorand an der Universität Oxford Physics. „Wir glauben, dass dieser Ansatz es den Photovoltaik-Geräten im Laufe der Zeit ermöglichen könnte, einen weitaus höheren Wirkungsgrad von über 45 % zu erreichen.“

Im Vergleich dazu liegt die Energieeffizienz von Solarmodulen heute bei etwa 22 % (was bedeutet, dass sie etwa 22 % der Energie im Sonnenlicht umwandeln), aber auch die Vielseitigkeit des neuen ultradünnen und flexiblen Materials ist entscheidend. Mit einer Dicke von etwas mehr als einem Mikrometer ist er fast 150-mal dünner als ein Siliziumwafer. Im Gegensatz zu bestehender Photovoltaik, die in der Regel auf Siliziumplatten angewendet wird, kann diese auf nahezu jede Oberfläche aufgebracht werden.

„Durch die Verwendung neuer Materialien, die als Beschichtung aufgetragen werden können, haben wir gezeigt, dass wir Silizium replizieren und übertreffen können und gleichzeitig an Flexibilität gewinnen. Dies ist wichtig, weil es mehr Solarstrom verspricht, ohne dass so viele siliziumbasierte Module oder speziell gebaute Solarparks erforderlich sind“, sagte Dr. Junke Wang, Marie Skłodowska Curie Actions Postdoc Fellow an der Universität Oxford.

„Die neuesten Innovationen bei Solarmaterialien und -techniken, die in unseren Labors demonstriert werden, könnten zu einer Plattform für eine neue Industrie werden, die Materialien herstellt, um Solarenergie nachhaltiger und kostengünstiger zu erzeugen, indem bestehende Gebäude, Fahrzeuge und Objekte verwendet werden.“
Henry Snaith, Professor für Erneuerbare Energien, Physikabteilung der Universität Oxford.

Die Forscher glauben, dass ihr Ansatz die Kosten für Solarenergie weiter senken und sie auch zur nachhaltigsten Form erneuerbarer Energien machen wird. Seit 2010 sind die weltweiten Durchschnittskosten für Solarstrom um fast 90 Prozent gesunken und damit fast ein Drittel günstiger als der aus fossilen Brennstoffen erzeugte. Innovationen versprechen zusätzliche Kosteneinsparungen, da neue Materialien wie Dünnschicht-Perowskit den Bedarf an Siliziummodulen und speziell gebauten Solarparks reduzieren.

„Wir können uns vorstellen, dass Perowskit-Beschichtungen auf breitere Arten von Oberflächen aufgebracht werden, um billigen Solarstrom zu erzeugen, wie z. B. das Dach von Autos und Gebäuden oder sogar die Rückseite von Mobiltelefonen. Wenn auf diese Weise mehr Solarenergie erzeugt werden kann, können wir langfristig einen geringeren Bedarf an Siliziummodulen oder den Bau von immer mehr Solarparks erwarten“, fügte Dr. Wang hinzu.

Die Forscher gehören zu den 40 Wissenschaftlern, die unter der Leitung von Henry Snaith, Professor für erneuerbare Energien, an der Physikabteilung der Universität Oxford an der Photovoltaik arbeiten. Ihre Pionierarbeit in der Photovoltaik und insbesondere bei der Verwendung von Dünnschicht-Perowskit begann vor rund einem Jahrzehnt und profitiert von einem maßgeschneiderten Roboterlabor.

Ihre Arbeit hat ein großes kommerzielles Potenzial und hat bereits begonnen, sich in Anwendungen in der Versorgungs-, Bau- und Automobilindustrie niederzuschlagen.
Oxford PV, ein britisches Unternehmen, das 2010 von Mitbegründer und Chief Scientific Officer Professor Henry Snaith aus der Oxford University Physics ausgegründet wurde, um Perowskit-Photovoltaik zu kommerzialisieren, hat kürzlich mit der großtechnischen Fertigung von Perowskit-Photovoltaik in seinem Werk in Brandenburg an der Havel in der Nähe von Berlin begonnen. Dies ist die weltweit erste Serienfertigungslinie für „Perowskit-auf-Silizium“-Tandemsolarzellen.

„Ursprünglich haben wir uns britische Standorte angesehen, um mit der Produktion zu beginnen, aber die Regierung hat noch nicht mit den steuerlichen und kommerziellen Anreizen mitgehalten, die in anderen Teilen Europas und der Vereinigten Staaten angeboten werden“, sagte Professor Snaith. „Bisher hat das Vereinigte Königreich über Solarenergie nur im Hinblick auf den Bau neuer Solarparks nachgedacht, aber das wirkliche Wachstum wird durch die Kommerzialisierung von Innovationen kommen – wir hoffen sehr, dass die neu gegründete British Energy ihre Aufmerksamkeit darauf richten wird.“

„Die Lieferung dieser Materialien wird eine schnell wachsende neue Branche in der globalen grünen Wirtschaft sein, und wir haben gezeigt, dass das Vereinigte Königreich innovativ ist und wissenschaftlich führend ist. Ohne neue Anreize und einen besseren Weg, diese Innovation in die Fertigung umzusetzen, wird das Vereinigte Königreich jedoch die Chance verpassen, diese neue globale Industrie anzuführen“, fügte Professor Snaith hinzu.

Solar energy breakthrough could reduce need for solar farms

Scientists at Oxford University Physics Department have developed a revolutionary approach which could generate increasing amounts of solar electricity without the need for silicon-based solar panels. Instead, their innovation works by coating a new power-generating material onto the surfaces of everyday objects such as rucksacks, cars, and mobile phones.

Their new light-absorbing material is, for the first time, thin and flexible enough to apply to the surface of almost any building or common object. Using a pioneering technique developed in Oxford, which stacks multiple light-absorbing layers into one solar cell, they have harnessed a wider range of the light spectrum, allowing more power to be generated from the same amount of sunlight.

This ultra-thin material, using this so-called multi-junction approach, has now been independently certified to deliver over 27% energy efficiency, for the first time matching the performance of traditional, single-layer, energy-generating materials known as silicon photovoltaics. Japan’s National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), gave its certification prior to publication of the researchers’ scientific study later this year.

‘During just five years experimenting with our stacking or multi-junction approach we have raised power conversion efficiency from around 6% to over 27%, close to the limits of what single-layer photovoltaics can achieve today,’ said Dr Shuaifeng Hu, Post Doctoral Fellow at Oxford University Physics. ‘We believe that, over time, this approach could enable the photovoltaic devices to achieve far greater efficiencies, exceeding 45%.’

This compares with around 22% energy efficiency from solar panels today (meaning they convert around 22% of the energy in sunlight), but the versatility of the new ultra-thin and flexible material is also key. At just over one micron thick, it is almost 150 times thinner than a silicon wafer. Unlike existing photovoltaics, generally applied to silicon panels, this can be applied to almost any surface.

‘By using new materials which can be applied as a coating, we’ve shown we can replicate and out-perform silicon whilst also gaining flexibility. This is important because it promises more solar power without the need for so many silicon-based panels or specially-built solar farms,’ said Dr Junke Wang, Marie Skłodowska Curie Actions Postdoc Fellow at Oxford University Physics.

The latest innovations in solar materials and techniques demonstrated in our labs could become a platform for a new industry, manufacturing materials to generate solar energy more sustainably and cheaply by using existing buildings, vehicles, and objects.

Henry Snaith, Professor of Renewable Energy, Oxford University Physics Department.

The researchers believe their approach will continue to reduce the cost of solar and also make it the most sustainable form of renewable energy. Since 2010, the global average cost of solar electricity has fallen by almost 90%, making it almost a third cheaper than that generated from fossil fuels. Innovations promise additional cost savings as new materials, like thin-film perovskite, reduce the need for silicon panels and purpose-built solar farms.

‘We can envisage perovskite coatings being applied to broader types of surface to generate cheap solar power, such as the roof of cars and buildings and even the backs of mobile phones. If more solar energy can be generated in this way, we can foresee less need in the longer term to use silicon panels or build more and more solar farms’ Dr Wang added.

The researchers are among 40 scientists working on photovoltaics led by Professor of Renewable Energy Henry Snaith at Oxford University Physics Department. Their pioneering work in photovoltaics and especially the use of thin-film perovskite began around a decade ago and benefits from a bespoke, robotic laboratory.

Their work has strong commercial potential and has already started to feed through into applications across the utilities, construction, and car manufacturing industries.

Oxford PV, a UK company spun out of Oxford University Physics in 2010 by co-founder and chief scientific officer Professor Henry Snaith to commercialise perovskite photovoltaics, recently started large-scale manufacturing of perovskite photovoltaics at its factory in Brandenburg-an-der-Havel, near Berlin, Germany. This is the world’s first volume manufacturing line for ‘perovskite-on-silicon’ tandem solar cells.

‘We originally looked at UK sites to start manufacturing but the government has yet to match the fiscal and commercial incentives on offer in other parts of Europe and the United States,’ Professor Snaith said. ‘Thus far the UK has thought about solar energy purely in terms of building new solar farms, but the real growth will come from commercialising innovations – we very much hope that the newly-created British Energy will direct its attention to this.’

‘Supplying these materials will be a fast-growth new industry in the global green economy and we have shown that the UK is innovating and leading the way scientifically. However, without new incentives and a better pathway to convert this innovation into manufacturing the UK will miss the opportunity to lead this new global industry,’ Professor Snaith added.

PR: Oxford University

PB: Universität Oxford veröffentlicht 27 Prozent Wirkungsgrad für ultradünne, flexible Perowskit-Solarzellen / ©: University of Oxford