Solarenergie ist ein beliebter Kandidat für eine nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen. Eine Solarzelle oder Photovoltaik (PV)-Zelle wandelt Sonnenlicht direkt in Strom um. Die Umwandlungseffizienz war jedoch nicht ausreichend, um weit verbreitete Anwendungen von Solarzellen zu ermöglichen.
Eine grundlegende Grenze für die maximale Effizienz von PV-Geräten wird durch thermodynamische Eigenschaften gegeben, nämlich Temperatur und Entropie (ein Maß für die Unordnung in einem System). Genauer gesagt wird diese als Landsberg-Grenze bekannte Grenze durch die Entropie der Schwarzkörperstrahlung auferlegt, die oft dem Sonnenlicht zugeschrieben wird. Die Landsberg-Grenze wird weithin als die allgemeinste Grenze für die Effizienz eines Sonnenlichtwandlers angesehen.
Eine andere Grenze, die als Shockley-Queisser (SQ)-Grenze bezeichnet wird, stammt aus dem Kirchhoffschen Gesetz, das besagt, dass das Absorptionsvermögen und das Emissionsvermögen für jede Photonenenergie und für jede Ausbreitungsrichtung gleich sein sollten. Dies ist im Wesentlichen das Prinzip der „detaillierten Balance“, das den Betrieb von Solarzellen seit Jahrzehnten beherrscht. Das Kirchhoffsche Gesetz ist tatsächlich eine Folge dessen, was „Zeitumkehrsymmetrie“ genannt wird. Eine Möglichkeit, die SQ-Grenze zu umgehen, besteht daher darin, diese Symmetrie zu brechen, indem man Licht erlaubt, sich nur entlang einer Richtung auszubreiten. Vereinfacht gesagt kann die SQ-Grenze überschritten werden, wenn der PV-Konverter mehr absorbiert und weniger Strahlung emittiert.
In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift für Photonik für Energie (JPE) schlagen die Forscher Andrei Sergeev vom US Army Research Laboratory und Kimberly Sablon vom Army Futures Command und der Texas A&M University einen Weg vor, die SQ-Grenze zu durchbrechen, indem sie „nicht reziproke photonische Strukturen“ verwenden, die die Emission eines PV-Konverters drastisch reduzieren können, ohne seine Gesamtmenge zu beeinträchtigen Lichtabsorption.
Die Forschung untersucht ein Einzelzellen-PV-Design, das mit nicht reziproken optischen Komponenten integriert ist, um eine 100-prozentige Wiederverwendung der von derselben Zelle emittierten Strahlung aufgrund des nicht reziproken Photonenrecyclings zu ermöglichen. Dies steht im Gegensatz zu früheren Entwürfen, die einen PV-Konverter mit mehreren Mehrfachzellen betrachteten, die so angeordnet waren, dass das von einer Zelle emittierte Licht von einer anderen absorbiert wurde.
Nach den wegweisenden Arbeiten von Lorentz, von Laue, Einstein, Landau, Brillouin und Schrödinger diskutieren Sergeev und Sablon auch die Entropie des Sonnenlichts in Bezug auf Kohärenz, Relativität, Nichtgleichgewichtsverteilungen, Unordnung, Information und Negentropie. Die Autoren beobachten, dass sich Photonen im Sonnenlicht im Gegensatz zur stark ungeordneten Strahlung im Inneren der Sonne entlang gerader Linien in einem engen Raumwinkel bewegen. Für Sergeev und Sablon deutet diese Beobachtung darauf hin, dass Sonnenlicht uns mit echtem Ökostrom versorgt und seine Umwandlungseffizienz nur davon abhängt, wie wir ihn umwandeln.
Die Autoren zeigten, dass der nichtreziproke Einzelzellen-PV-Konverter für quasimonochromatische Strahlung den theoretisch maximalen „Carnot-Wirkungsgrad“ erreichte, den Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine, der die Landsberg-Grenze überschreitet. Dies war auch bei mehrfarbiger Strahlung (charakteristisch für Sonnenlicht) der Fall.
Interessanterweise half dies, ein thermodynamisches Paradoxon im Zusammenhang mit einer optischen Diode aufzulösen. Das Paradox besagt, dass eine optische Diode die Temperatur des Absorbers über die Sonnentemperatur erhöhen könnte, indem sie nur eine Lichtausbreitung in einer Richtung zulässt. Dies würde den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen. Die Studie zeigte, dass eine unendliche Anzahl von Photonen-Rezyklen erforderlich wäre, um die Carnot-Effizienz zu erreichen, und somit gegen das Gesetz verstoßen würde.
Darüber hinaus verallgemeinerten die Forscher die thermodynamischen Überlegungen auf Nichtgleichgewichts-Photonenverteilungen mit lichtinduziertem chemischem Potential ungleich Null und leiteten die begrenzende Effizienz eines nichtreziproken Einzelzellen-PV-Konverters ab.
„Diese Forschung wurde durch den schnellen Fortschritt in der nichtreziproken Optik und durch die Entwicklung kostengünstiger photovoltaischer Materialien mit hoher Quanteneffizienz motiviert“, sagt Sergeev, der insbesondere Perowskit-Materialien anführt und feststellt: „Eine schwache nichtstrahlende Rekombination in diesen Materialien würde eine fortgeschrittene Verbesserung von ermöglichen PV-Umwandlung durch Steuerung von Strahlungsprozessen.“
Da nicht-reziproke photonische Strukturen auf dem Vormarsch sind, kann in naher Zukunft mit der Entwicklung von hocheffizienten PV-Konvertern gerechnet werden. Während die Suche nach nachhaltigen Lösungen für die weltweite Energiekrise weitergeht, gibt diese Studie viel Hoffnung für die Solarzellentechnologie.
Andrei Sergeev et al, Nicht reziprokes photonisches Management für die Photovoltaik-Umwandlung: Design und grundlegende Effizienzgrenzen, Zeitschrift für Photonik für Energie (2022). DOI: 10.1117/1.JPE.12.032207
Bereitgestellt von SPIE – International Society for Optics and Photonics