Unerschöpfliche Energie

Unerreichbare Energie

Windenergie und Wasserkraft, Bioenergie und Geothermie. Zahlreiche übersetzte Beispielsätze mit "unerschöpflicher Energie" - Englisch-Deutsches Wörterbuch und Suchmaschine für Millionen von englischen Übersetzungen. In den erneuerbaren Energien liegt die umweltfreundliche Zukunft: Der Förderer der Kernenergie versichert uns, dass die Kernenergie in Form der Rapid Breeder Reactors eine unerschöpfliche Energiequelle sein wird". Der Energiebedarf ist überall ein Plädoyer für den weiteren Ausbau der Kernenergie.

eine unerschöpfliche Energie!

Unter " Erneuerbare Energiequellen " versteht man Energieträger, die ständig erneuert und schier endlos verfügbar sind. Vor allem die Solarenergie kann neben Geothermie, Geothermie und Gravitationswärme, die von Windkraftanlagen eingesetzt wird, in Zukunft einen großen Teil des Bedarfs an menschlicher Energie umweltfreundlich abdecken. Man unterscheidet zwischen direkter Solarenergie und umgewandelter Strahlungsenergie, die als Wind-, Wasser- bzw. Windenergie oder auch als erneuerbare Energie verfügbar ist.

Bei allen erneuerbaren Energieträgern ist die technische Nutzbarkeit um ein Mehrfaches größer als der Mensch. Sämtliche Energieträger regenerativer Energieträger sind CO2-neutral, d.h. sie stoßen entweder kein oder höchstens soviel CO2 aus, wie sie bei ihrer Bildung absorbiert haben. Beide können auf vielfältige Weise genutzt werden, zum Beispiel zur Warmwasserbereitung oder zur Stromerzeugung in der Solarzelle.

Zugleich sorgen Sonnenlicht und Sonnenwärme dafür, dass die Pflanze wächst und Energie produziert wird. Die Energie der Ozeanwellen und Fluten basiert ebenfalls auf Windkraft und Schwerkraft und ist daher regenerativ, auch wenn sie heute noch wenig genutzt wird. Ganz anders ist die geothermische Energie, die durch den radioaktiven Zerfall innerhalb der Erdrinde produziert wird.

Genau gesagt ist es nicht schier endlos, aber es wird noch für Jahrmillionen Bestand haben. Unter der Rubrik "Erneuerbare Energien" werden die verschiedenen erneuerbaren Energieträger und ihr Potential genauer erörtert.

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Die ständig steigende globale Energienachfrage ist eine der großen Aufgaben unserer Zeit. Die erneuerbaren Energieträger sind daher von größter Wichtigkeit. Das Sonnenlicht liefert uns eine schier unerschöpfliche Energiequelle. Binnen zwei Std. schickt die Sonnenenergie mehr Energie auf die Erdoberfläche, als wir innerhalb eines Jahrs aufnehmen können.

Der Einsatz von Solarenergie durch Fotovoltaik (PV) hat in den letzten Jahren stetig an Gewicht zugenommen und leistet bereits einen wesentlichen Beitrag zur Energiegewinnung in den Industrieländern. Zur weiteren Steigerung der Konkurrenzfähigkeit der Solarstromerzeuger müssen jedoch auch bei geringen Betriebskosten die hohen Wirkungsgrade garantiert werden. Dazu gehören unter anderem Solarmodule mit Absorberwerkstoff aus Aluminium, Kupfermaterial, Indium, Gallus und Solarenergie, sogenannter Kupferkies (Cu(In,Ga)Se2, kurz CIGSe), die für gleichbleibende Effizienzwerte mit Spitzenwerten sorgen.

Das Diagramm in Figur eins oben rechts stellt exemplarisch den Schnitt durch ein solches Bauteil dar. Im Standard hat der Absorptionsapparat eine Schichtdicke von 2 - 3 µm und nahezu alle ankommenden Fotonen (Lichtquanten) mit einer Energie über der Lücke, d.h. hier mit einer Wellenlänge kleiner als etwa 1,2 µm oder 1200 nm, werden aufgenommen.

Der Umwandlungsprozess von Strom in Strom wird dadurch eingeschränkt, dass jedes Foton höchstens ein Elektronen-Loch-Paar produzieren kann. Der External Quantum Yield (EQE) gibt das Anteil der gesammelten Elektron-Loch-Paare zu den eingestrahlten Photonen an. Bei den Verlusten kann es sich um elektrische Schäden handeln, oder sie können auf eine unvollständige Aufnahme der auftreffenden Photonen zurückzuführen sein. Nachfolgend ist die Schwarzkurve in Figur 1 dargestellt, die den Quantenertrag einer CIGSe-Solarzelle mit einem weniger als 500 Nanometer dicken Absorptionsmittel wiedergibt.

Mit längeren Laufzeiten kann ein signifikanter Rückgang beobachtet werden, der anzeigt, dass Fotonen dieser Wellenlänge nicht mehr wirksam in dem ultradünnen CIGSe aufgenommen werden. Zur Steigerung der Resorption werden bei der ultradünnen CIGSe effektive Lichtschutzmittel eingesetzt. Ein Anstieg der Absorptionsleistung kann durch eine Vergrößerung der wirksamen Schichtdicke des Lichts im Absorptionsapparat erzielt werden.

Nanopartikel sind umso erfolgversprechender, als sie das Sonnenlicht in noch größerem Winkel lenken können, was zu einer besseren Erfassung des Lichts in dÃ? Nanopartikel können neben ihren streuenden Eigenschaften auch eine lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke bewirken. Durch die Lichtkonzentration in unmittelbarer Nähe der Nanopartikel ergibt sich eine weitere Option der Absorptionsamplifikation in sehr dÃ?

Für die Wirkung der Streuung und Konzentration des Lichts sind unter dem Stichwort "plasmonischer Effekt" am Beispiel von Metallnanopartikeln bekannt. Aber auch mit Nanopartikeln aus Dielektrika, z.B. Oxidation, kann die Streuung und Konzentration des Lichts erzielt werden. Dielektrische Nanopartikel haben den großen Vorzug, dass sie keine störende Aufnahme aufweisen, d.h. sie sind im Gegensatz zu ihren metallenen Gegenstücken unverlierbar.

Darüber hinaus zeichnet sich diese Nanopartikel bei anorganischen Werkstoffen durch eine sehr gute Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit aus. Ausgehend von diesen Vorteilen konzentrieren wir uns auf die Einbindung von denlektrischen Nanopartikeln in ultradünne CMOS-Solarzellen zur Erhöhung der Resorption. Der Kurzschlussstrom, der ein Mass für den von den aufgenommenen Photonen generierten Stromwert ist, lag bei 28,2 mA/cm2.

Gemeinsam mit den Kolleginnen und Kollegen des Zentrums für Nanooptik am AMOLF, Niederlande, wurden Nanopartikel aus dem Bereich Nanoimprint getestet. Die Nanoimprint Lithographie basiert auf der Texturierung einer Schablone mit einem "Stempel", der dann als Schablone für das Wachsen von Nanopartikeln dienen kann. Die schematischen Querschnitte der SiO2-Nanopartikel an der Mo/CIGSe-Schnittstelle sind in der obigen Zeichnung oben rechts in Figur 1 wiedergegeben.

Bild 1 stellt den tatsächlichen Schnitt dar, der rasterelektronenmikroskopisch erfasst wurde. Die auf den Mo-Rückenkontakt (violett) gedruckten weißen Nanopartikel werden vom CIGSe-Absorber (rot) gleichmäßig zugewachsen, worauf die anderen Lagen folgen. Der für diese Komponente ermittelte Quantenertrag wird durch die in Figur 1 dargestellte blaue Linie dargestellt. Verglichen mit der Schwarzkurve für den Einsatz ohne Nanopartikel ist eine deutliche Erhöhung des Wellenlängenbereichs von 700 bis 1100 nm zu beobachten.

Diese Erhöhung der Absorptionsleistung korrespondiert mit einer Kurzzeitstromdichte von 2 mA/cm2. Simulationsrechnungen belegen, dass die wirksame Resorption durch die Geometrieoptimierung der SiO2-Nanopartikel weiter gesteigert werden kann. Ein dreidimensionales optisches Modell der Verstärkungen ermöglicht den Zugriff auf die Resorption in jeder Einzelschicht. Auf diese Weise kann die erhöhte Aufnahme in das CIGSe verfolgt werden, aber auch die restlichen Schäden können identifiziert werden.

Mit den reduzierten Absorptionsverlusten kann dann das transmittierte Sonnenlicht in die Solarzellen zurückgeworfen werden. Die Durchlichtanlage kann auch für andere Anwendungen genutzt werden. Bei Tandem-Solarzellen wird eine Mischung aus zwei Absorberwerkstoffen mit unterschiedlichen Bandlücken, also nicht von der oberen (oberen) Kammer absorbiertes Sonnenlicht, auf die untere (untere) Kammer übertragen und dort umgerechnet.

Die ultradünne obere Zelle, die genügend Strom bis zur unteren Zelle leitet, ist unerlässlich. Zugleich muss das von der oberen Zelle umwandelbare Arbeitslicht darin aufgenommen werden. Um eine optimale Verteilung des Lichts zwischen den beiden Solarzelle zu erreichen, kommt der wellenlängenselektiven Wirkung der Nanopartikel eine besondere Bedeutung zu.

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