Im Bestreben, die physikalischen Grenzen von Silizium zu überwinden, wendet sich die Photovoltaikindustrie einem Material zu, das sogar die revolutionären Perowskite in Bezug auf Festigkeit, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit übertrifft: dem Diamanten.
Was genau sind Diamant-Solarmodule? Es existieren zahlreiche Varianten von Solarmodulen der dritten Generation, die darauf abzielen, Siliziumzellen zu ersetzen. Diamant-Photovoltaikzellen verwenden anstelle von Silizium Schichten aus synthetischem Diamant. Obwohl Diamant an sich kein Halbleiter ist, kann er durch Dotierung mit bestimmten Elementen sehr attraktive Eigenschaften entwickeln.
Je intensiver der Halbleiterdiamant als Alternative zu Silizium in Photovoltaikzellen erforscht wird, desto größer sind die Chancen, die theoretischen Beschränkungen konventioneller Solarmodule zu durchbrechen und sie letztlich überflüssig zu machen.
Diamant besitzt die höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Materialien, was Solarmodule mit der Fähigkeit ausstatten könnte, überschüssige Wärme schnell abzuleiten, die sonst Silizium-Solarmodule beeinträchtigen würde.
Als extrem hartes und widerstandsfähiges Material, auch gegen Strahlung, verfügt Diamant zudem über vorteilhafte elektronische Eigenschaften für die Sonnenenergienutzung, wie etwa eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit (Elektronen und Löcher), die den Wirkungsgrad von Solarmodulen erheblich steigern könnte.
Mit einer einstellbaren Bandlücke versuchen Wissenschaftler, die große Bandlücke des Diamanten durch Dotierung zu optimieren, um ein ideales Material für die Absorption und Umwandlung von Sonnenenergie zu entwickeln.
Man erwartet, dass Diamant-Solarmodule fähig sein werden, ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts, einschließlich der violetten und ultravioletten Strahlen, zu absorbieren und umzuwandeln, was ihre Effizienz steigern würde.
Was sind die Nachteile? Eine wesentliche Hürde ist der Preis. Die Produktion von hochwertigen synthetischen Diamanten ist kostspielig und technisch anspruchsvoll, weshalb die größte Herausforderung in der Forschung darin besteht, einen effizienteren Produktionsprozess zu entwickeln.
Fortschritte werden schrittweise erzielt. Synthetische Diamanten können aus einer preiswerten Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff hergestellt werden, die üblicherweise aus Methan und atmosphärischem Kohlendioxid besteht, in einem Verfahren, das als chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bekannt ist.
Das Gasgemisch wird in eine Vakuumkammer geleitet, wo es durch Mikrowellen-, Heißdraht- oder Plasmaerwärmung aktiviert wird. In diesem Prozess wird der Kohlenwasserstoff zerlegt und die Kohlenstoffatome setzen sich auf einem Substrat wie Silizium oder Metall ab, was zur Bildung einer dünnen Diamantschicht führt.
Ein Supermaterial für extreme Anwendungen. Ähnlich wie bei Silizium-Solarzellen sind die höheren Reinheitsgrade von Diamanten mit zusätzlichen Herstellungskosten verbunden, die durch die langfristigen Vorteile hinsichtlich Leistung und Qualität gerechtfertigt sein können.
Diamant-Solarmodule müssen noch einen weiten Weg zurücklegen, um das Kosten-Nutzen-Verhältnis von reinem Silizium zu erreichen und Perowskit zu übertreffen, ein Mineral, das ebenfalls für Photovoltaikzellen synthetisiert wird. In der Zwischenzeit ist dotierter Diamant die bevorzugte Wahl für Anwendungen, bei denen die Robustheit und Effizienz von Solarmodulen extrem sein müssen, wie etwa in der Raumfahrt.
Bilder | US Air Force / SLAC National Accelerator Laboratory
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