Durchbruch bei 2D-Solarzellen versprechen Auftrieb für SpaceTech

Heute am Markt erhältliche Solarzellen kommen auf einen Wirkungsgrad von 25 Prozent, in Entwicklung befindliche Tandem-Zellen mit dem „Wundermaterial“ Perowskit schaffen mittlerweile sogar Wirkungsgrade von 32,5 Prozent. Dagegen sind die jetzt errechneten 12,87 Prozent, den neuartige 2D-Solarzellen auf den ersten Blick mickrig – doch auf den zweiten eine ordentliche Nummer.

Zuerst grundlegendes. Denn Moment: 2D in einer physischen 3D, Welt, wie soll das denn gehen? Also: Solarzellen, die auf  Transition Metal Dichalcogeniden (TMDCs) basieren, sind lediglich 4 Nanometer dünn, und damit 100 dünner als ohnehin schon sehr dünne Siliziumzellen. Bisher hat man bei diesen, salopp formuliert, 2D-Solarzellen angenommen, dass sie technologisch zwar interessant, aber in der Praxis nicht effizient sind. Bisher war es schwierig, Wirkungsgrade jenseits der 6 Prozent zu erreichen. US-Forscher:innen ist es aber nun gelungen, das mit einem Schlag zu verdoppeln, eben auf fast 13 Prozent.

Unterm strich bedeutet das: Es gibt nun eine Möglichkeit, sehr sehr leichte Solarzellen zu schaffen, die trotzdem eine respektable Energieausbeute haben. „Die ultraleichten, flexiblen Solarzellen könnten in weltraumgestützten Solaranlagen, Raumfahrzeugen, Satelliten, Drohnen, Wearables-Elektronik und überall dort zum Einsatz kommen, wo das Gewicht eine Rolle spielt“, heißt es dazu seitens Deep Jariwala von der Penn Engineering Faculty an der Pennsylvania University. Er hat mit seinem Forschungsteam die neuen Erkenntnisse zu 2D-Solarzellen veröffentlicht.

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Wo jedes Gramm zählt

Der Einsatz der 2D-Solarzellen ist vor allem in Luft- und Raumfahrt interessant. Auch heute noch kostet der Transport von Material in eine Erdumlaufbahn immer noch deutlich mehr als 100 Dollar pro Kilo. Wenn dort oben nun aber Satelliten usw. mit Solarenergie betrieben werden sollen, dann sind riesige Flächen an Solarzellen notwendig. Auch gibt es sogar Pläne, im All gesammelte Solarenergie auf die Erde zu „beamen“ (so genannte „Space Based Solar Power„).

Zwar gibt es auch organische Solarzellen, die ebenfalls sehr leicht sind und eine Energieausbeute von 150 Watt pro Gramm (W/g) schaffen. Die 2D-Zellen sind aber, was das Verhältnis Energie und Gewicht angeht, noch einmal ein stück besser und sollen den Forscher:innen zufolge sogar Richtung 200 W/g gehen können. Doch wie weit ist die Technologie fortgeschritten? Es braucht jedenfalls noch viel Forschung und Entwicklung.

„Angesichts der Tatsache, dass die derzeitigen Wirkungsgrade unter 5 % liegen, hoffe ich, dass man in den nächsten vier bis fünf Jahren Zellen mit einem Wirkungsgrad von 10 % und mehr vorweisen kann“, heißt es seitens Deep Jariwala. Bisher seien viele wegen den geringen Wirkungsgraden von 2D-Zellen nicht überzeugt gewesen, auf die Technologie zu setzen, aber das könnte sich nun ändern.

„Ich glaube, die Menschen erkennen langsam, dass 2D-TMDCs hervorragende photovoltaische Materialien sind, wenn auch nicht für terrestrische Anwendungen, sondern für Anwendungen, die mobil und flexibler sind, wie z. B. weltraumgestützte Anwendungen“, so Jariwala. „Das Gewicht von 2D-TMDC-Solarzellen ist 100-mal geringer als das von Silizium- oder Galliumarsenid-Solarzellen, so dass diese Zellen plötzlich zu einer sehr attraktiven Technologie werden.“

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