Könnte die Nutzung von Quantenfluktuationen zu effizienteren Solarpanelen führen?

Wenn Wissenschaftler recht haben, könnte die Welt kurz vor einer Klimakrise stehen. In diesem Fall muss das Problem eher früher als später angegangen werden. Für viele bleibt das leicht zu erreichende Ziel im Kampf gegen den Klimawandel der Übergang von unserer Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu nachhaltigeren Optionen wie Wasser, Wind, Geothermie und Solarenergie. Damit dies jedoch wirklich gelingt, muss ein konzertierter Aufwand unternommen werden, um die Technologie hinter diesen Alternativen voranzubringen. Glücklicherweise arbeiten Forscher bereits intensiv, und mehrere aktuelle Studien weisen auf eine vielversprechende Zukunft für photovoltaische Zellen hin, die die Nutzung von Solarenergie ermöglichen.

Bowtie-Resonatoren

Eines dieser genannten Studien hat erfolgreich eine Zukunft skizziert, in der ‘Bowtie-Resonatoren’ durch Nutzung von Quantenfluktuationen potenziell selbst herstellen können.

Bowtie-Resonatoren sind eine Art von Struktur, die in nächsten Generationen von photovoltaischen Zellen eingesetzt werden soll und mit dem Ziel gebaut ist, Licht in einem geschlossenen Hohlraum zu fangen. Der Zweck dabei ist, die Kontaktzeit zwischen dem eingefangenen Licht und dem Medium, das zur Energieübertragung/-speicherung verwendet wird, zu maximieren. Interessanterweise erhalten Bowtie-Resonatoren ihren Namen aufgrund ihrer Form, die einer Fliege (engl. bowtie) ähnelt.

Typischerweise ist, sofern kein Leck auftritt, ein kleinerer Resonator effektiver beim Einfangen von Licht – was zu höherer Effizienz und Energieausbeute führt. Leider haben wir einen Punkt erreicht, an dem traditionelle Fertigungstechniken nahezu ausgeschöpft sind. Hier setzt die Studie an, die versucht, Quantenfluktuationen zu nutzen, die zu den fundamentalen Kräften führen, die als

• Casimir‑Effekt
• Van‑der‑Waals‑Kräfte

Ziel war es, im Wesentlichen die Selbstfertigung eines Resonators zu steuern, der bei weitem kleiner ist als derzeit in großem Maßstab möglich. Das Ergebnis war ein bedeutender und erfolgreicher Fortschritt in der Halbleitergerätefertigung, da das Team die Casimir‑Van‑der‑Waals‑Kräfte für die ‘deterministische Selbstassemblierung’ schwebender Silizium‑Nanostrukturen und die erfolgreiche Schaffung eines nanoskopen Resonator‑Hohlraums nutzen konnte.

Einfach ausgedrückt – anstatt zu versuchen, einen Resonator in solch kleinem Maßstab zu bauen, fertigte das Team zwei Hälften an und ließ Quantenfluktuationen sie ‘verschmelzen’, wenn sie extrem nahe beieinander platziert wurden. Das Papier weist darauf hin, dass „Im Gegensatz dazu hat die planare Halbleitertechnologie aufgrund ihrer inhärenten Skalierbarkeit einen enormen technologischen Einfluss gehabt, scheint jedoch nicht in der Lage zu sein, die durch Selbstassemblierung ermöglichten atomaren Dimensionen zu erreichen.“

Was bedeutet das?

Die Auswirkungen dieser Technologie sind weitreichend und bieten potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Das Papier erläutert dies und gibt Folgendes an.

Obwohl unsere Arbeit die Selbstassemblierung von photonischen Kavitäten mit einer Eindämmung von wenigen bis subnanometern demonstriert, kann unsere Methode in einem viel breiteren Forschungs- und Technologiebereich angewendet werden, zum Beispiel bei der Festkörper‑Nanoporen‑Sequenzierung, Nanogap‑Quanten‑Tunnel‑Elektroden oder ultra‑hochwertigen Schattenmasken für supraleitende Quanten‑Elektronikgeräte.

Allgemeiner eröffnet unsere Arbeit Perspektiven zur Erkundung neuer Regime der Photonik, Elektronik und Mechanik auf atomarer Ebene, während sie gleichzeitig eine skalierbare und selbstausgerichtete Integration in großskalige Chip‑Architekturen ermöglicht.

Die selbstassemblierte, waveguide‑gekoppelte Kavität ist besonders interessant im Hinblick auf verstärkte Licht‑Materie‑Wechselwirkungen, wodurch der Betrieb von Geräten auf Einzel‑Photon‑Niveau ermöglicht und neue Effizienzniveaus, die in photovoltaischen Zellen noch nicht erreicht wurden, gefördert werden könnten.

Rückkontakt-Photovoltaikzellen

Bemerkenswerterweise ist dies nicht die einzige potenziell bahnbrechende Entwicklung der letzten Wochen im Bereich der Photovoltaikzellen. Forscher der University of Ottawa (U of O) haben erfolgreich die „…ersten rückkontakt‑mikrometrischen Photovoltaikzellen“ hergestellt.

Quelle: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325?via%3Dihub#abs0015

Im Wesentlichen handelt es sich um eine neuartige Fertigungstechnik, die den ‘Schatteneffekt’ in einer Photovoltaikzelle erheblich reduziert, indem die elektrischen Kontakte auf die Rückseite verlagert werden. Das bedeutet, dass das zur Energiegewinnung genutzte Medium über mehr Oberfläche verfügt, mit der das eingefangene Licht interagieren kann. Dieser Ansatz ermöglicht zudem eine signifikante Miniaturisierung der Zellen. All dies führt zu höherer Effizienz und Kostenwirksamkeit.

Alternative Anwendungen

Interessanterweise sind diese diskutierten Durchbrüche nicht nur für die Nutzung von Solarenergie von Bedeutung. Sie könnten auch einen Weg für die Nanotechnologie im Allgemeinen aufzeigen, indem sie die Machbarkeit der Nutzung von Quantenfluktuationen und fundamentalen Kräften wie dem Casimir‑Effekt und den Van‑der‑Waals‑Kräften demonstrieren.

Richtungsweisende selbstherstellende Materialien würden ein neues Spektrum an Möglichkeiten in der Materialwissenschaft eröffnen, das nahezu jede Branche tiefgreifend beeinflussen würde. Das bedeutet leichtere und stärkere Baumaterialien, miniaturisierte Elektronik, wirksamere Medikamente, zielgerichtete Arzneimittelabgabe und vieles mehr.

Zusammenfassend kann die Nanotechnologie eines Tages diese Branchen grundlegend transformieren, was sie zu einem besonders fesselnden und vielversprechenden Gebiet wissenschaftlicher und technologischer Forschung macht. Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass ein richtungsweisender, selbsthergestellter Bowtie‑Resonator nur ein Schritt von einem Marathon ist.

Branchenakteure

Obwohl es noch einige Jahre dauern kann, bis wir selbstassemblierende Bowtie‑Resonatoren und Rückkontakt‑Zellen in realen Anwendungen sehen, sind dies die Art von innovativen Fortschritten, die nötig sind, wenn wir erwarten, die bereits drohende Klimakrise zu vermeiden oder zumindest abzumildern. Vor diesem Hintergrund sind nachfolgend einige börsennotierte Unternehmen aufgeführt, die stark am Wachstum der Solarindustrie und der zugrunde liegenden Technologie beteiligt sind.

*Die unten angegebenen Zahlen waren zum Zeitpunkt der Erstellung korrekt und können sich ändern. Jeder potenzielle Investor sollte die Kennzahlen überprüfen*

1. NextEra Energy Resources

NEE Preisdiagramm

NextEra Energy (NEE ) Resources ist Nordamerikas führendes Unternehmen für saubere Energie und führend in der Produktion von Wind‑ und Solarenergie. Es entwickelt, baut und betreibt Stromprojekte, darunter mehr als 150 Wind‑ und Solar‑Energiezentren in 26 Bundesstaaten der USA und vier Provinzen Kanadas, und erzeugt über 17.000 Megawatt Wind‑ und Solarenergie.

2.  First Solar

FSLR Preisdiagramm

First Solar (FSLR ) entwirft und fertigt Solarkraftsysteme und Solarmodule mit Dünnschicht‑Halbleitertechnologie. Es bietet zudem unterstützende Dienstleistungen wie Finanzierung, Bau, Wartung und das Recycling von Solarmodulen am Ende ihrer Lebensdauer.

3. SolarEdge Technologies

SEDG Preisdiagramm

SolarEdge Technologies (SEDG ) ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich intelligenter Energietechnologien. Es bietet Lösungen für Photovoltaik, Energiespeicherung, Ladung von Elektrofahrzeugen, Batterien, unterbrechungsfreie Stromversorgung und Netzdienste. Das Unternehmen ist bekannt für seine SolarEdge DC‑optimierte Wechselrichterlösung, die die Stromerzeugung maximiert und gleichzeitig die Kosten der durch Photovoltaiksysteme erzeugten Energie senkt.

Abschließende Gedanken

Die Fortschritte in der Photovoltaiktechnologie, insbesondere die Entwicklung selbstassemblierender Bowtie‑Resonatoren und Rückkontakt‑Photovoltaikzellen, stellen einen bedeutenden Schritt zur Bewältigung der drängenden Herausforderungen des Klimawandels dar. Diese Innovationen sind mehr als nur wissenschaftlicher Fortschritt; sie sind entscheidende Schritte hin zu einer nachhaltigen Energiezukunft.

Wenn diese Technologien näher an die breite Anwendung heranrücken, versprechen sie, Solarenergie effizienter, kostengünstiger und zugänglicher zu machen und damit den Übergang von fossilen Brennstoffen zu beschleunigen. Dieser Fortschritt in der Solartechnologie steht nicht nur im Einklang mit Umweltzielen, sondern unterstreicht auch das Potenzial erneuerbarer Energien, in naher Zukunft zu einer dominanten, praktischen Energiequelle zu werden.