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Während der letzten Jahre ist der Markt für Solarzellen als Quelle für erneuerbare Energien rapide angewachsen. Aufgrund der Fortschritte in der Photovoltaik-Technologie, der günstigen Installationskosten von Solarpanelen und der staatlichen Förderprogramme ist der Einsatz regenerativer und umweltfreundlicher Technologie äußerst populär geworden.
Die Solarzellen-Technologie ist eine alternative, innovative Methode der Energiegewinnung. Beim Einsatz von Solarzelle wird die Energie des Sonnenlichts direkt in elektrische Energie umgewandelt, indem man sich den photovoltaischen Effekt zunutze macht.
Solarzellen werden vorwiegend aus Silizium (Si) hergestellt. Die Unterschiede in Qualität, Effizienz und Kosten liegen in der Verwendung von monokristallinen, polykristallinen und amorphen Solar-Silizium. Die monokristallinen Solarzellen sind die preisintensivsten Si-Solarzellen. Sie erreichen eine Effizienz von ca. 16-18% und bestehen aus einem Wafer aus hochreinen Silizium-Monokristallen (sog. Ingot). Die monokristallinen Solarzellen sind an ihrer dunkelblauen bis schwarzen Farbe erkennbar. Die polykristallinen Solarzellen bestehen aus einem Wafer aus gegossenen Silizium. Beim Abkühlen des flüssigen Siliziums entstehen unterschiedlich ausgerichtete und getrennte Kristalle. Die polykristallinen Solarzellen weisen eine Energieeffizient von ca. 14% auf und sind etwas kostengünstiger als die monokristallinen Solarzellen. Optisch sind sie an ihrer kristallinen Struktur und der blauen Farbe zu erkennen. Die amorphen Solarzellen werden hergestellt, indem eine dünne Silizium-Schicht auf ein Trägermaterial (z.B. auf eine Glasplatte) aufgedampft wird. Im Vergleich zu den anderen oben genannten Herstellungstechniken sind die Herstellungskosten der amorphen Solarzellen niedriger, aber auch die Effizienz ist mit 6-8% am geringsten.
Die Dünnschicht-Solarzellen basieren auf Cadmium-Tellurid (CdTe) oder auf Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (copper indium gallium selenide CIGS), die kristallinen Solarzellen wandeln die Energie mittels –hautsächlich monokristalliner – Silizium-Wafer um. Für Silizium-Dünnschichtzellen wird eine sehr dünne Siliziumschicht auf ein kostengünstiges Trägermaterial aufgetragen. Im Vergleich zu den herkömmlichen „Bulk-Silicon“-Wafern ist für die Herstellung der Dünnschicht-Solarzellen nur eine geringe Menge an hochwertigem Silizium notwendig. Deshalb zählt das Verfahren der Dünnschicht-Solarzellen zu einer vielversprechenden Technik, um photovoltaische Zellen kostengünstig und damit für mannigfaltige Anwendungen verfügbar zu machen.
Für all die verschiedenen Arten von Solarzellen spielt der Einsatz von Nanomaterialien eine signifikante Rolle hinsichtlich der Qualität und Effizienz der photovoltaischen Panele und des erzielten Energieertrags. Naonmaterialien haben drei einzigartige Vorteile, welche die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie verbessern: Zum einen bieten Nanopartikel eine sehr große Oberfläche pro Volumen- bzw. Masseeinheit, so dass zwischen den einzelnen Partikeln große Grenzflächen für interpartikuläre Reaktionen gegeben sind. Zum anderen verfügen Nanomaterialien über optische und physikalische Eigenschaften, die sich erheblich von den Eigenschaften der „bulk materials“ unterscheiden. Der dritte Vorteil und Grund für den Einsatz von Nanomaterialien ist der Kostenfaktor. Nanomaterialien können sparsam als dünne Beschichtungen eingesetzt werden, hierfür stehen spezielle Beschichtungs-, Printing- und Spray-Techniken zur Verfügung.
Die jüngsten Errungenschaften bei der Herstellung preisgünstiger, hoch-effizienter Solarpanele mit geringem Gewicht wurden durch die Integration von Nanomaterialien, wie z.B. Carbon Nanotubes, Nanowires und Nanoantennas, vorwärtsgetrieben. Besonders Nanowires und Nanoantennas können die Effizienz von Solarzellen auf bis zu 80% und mehr erhöhen (bezüglich der Nutzung der mittleren Infrarot-Sonnenstrahlen). Um funktionale Nanomaterialien mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten, müssen die Partikel desagglomeriert und sehr fein dispergiert werden. Der Großteil der Nanomaterialien ist als Pulver verfügbar. Um das Nanomaterial zu verarbeiten, muss das Nano-Pulver in Flüssigkeit gemischt werden. Nanopartikel tendieren allerdings stark dazu, zu agglomerieren sobald sie in Wasser oder organische Lösungsmittel eingebracht werden. Die durch Ultraschall generierten Kavitationskräfte machen die Ultraschall-Technologie zu einer bewährten Methode, um die hohen interpartikulären Bindungskräfte zu überwinden. So können mit oberflächenaktiven Grenzstoffen stabilisierten Suspensionen mit dispergierten nano-skaligen Partikel.
Hielscher bietet Ultraschallgeräte um Nanopartikel effektiv fein zu mahlen, zu entwirren, zu deagglomerieren und zu dispergieren. Die Effekte des Mahlens, Desagglomerierens und Dispergierens mittels Ultraschall beruhen auf der Ultraschallkavitation. Werden Ultraschallwellen in Flüssigkeiten eingetragen, entstehen in dem flüssigen Medium alternierende Hochdruck- und Niederdruck-Zyklen. Diese resultiert in mechanischem Stress auf die Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Partikeln. Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten verursacht Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 1000km/h (ca. 600mph). Diese Flüssigkeitsstrahlen pressen Flüssigkeit bei hohen Drücken zwischen die Partikel und trennen diese dadurch voneinander. Kleinere Partikel werden mit den Flüssigkeitsstrahlen beschleunigt und kollidieren bei hoher Geschwindigkeit miteinander (interpartikuläre Kollision). Dies macht Ultraschall zu einer effektiven Methode für das Dispergieren ebenso wie für das Mahlen von mikro- und nano-skaligen Partikeln.
Um Nanomaterialien zu beschallen, ist ein Ultraschall-Durchflussreaktor empfehlenswert. In der Reaktorkammer wird das zu beschallende Material bei kontrollierter Intensität der Ultraschallkavitation ausgesetzt. Der Inline-Prozess verhindert ein Vorbeifließen des Materials, da alle Partikel die Reaktorkammer auf vorgegebenem Weg passieren. Weil alle Partikel während jedes Zyklus für dieselbe Zeit den identischen Beschallungs-Parametern ausgesetzt sind, wird die Partikelverteilungs-Kurve durch das Beschallen normalerweise eher verschoben als ausgeweitet.
Weitere Anwendungen für Ultraschall sind das Entgasen (gelöste Gase) und Entschäumen (eingeschlossene Gasblasen) hochviskoser Produkte. Ultraschalltechnologie zum Dispergieren ist für den Labor-, Technikums- und Produktionsmaßstab geeignet. Durchsatzleistungen von bis zu 10 Tonnen pro Stunde können sowohl auf der Forschungs- und Entwicklungsebene als auch in der kommerziellen Produktion erreicht werden. Prozessergebnisse können in ihrer Kapazität problemlos und linear hochskaliert werden, indem man auf ein entsprechend größeres System umsteigt.
Hielscher Ultraschallgeräte sind äußerst energieeffizient. Die Geräte wandeln ca. 80 bis 90% der zugeführten Leistung in mechanische Wirkleistung um, die in die Flüssigkeit übertragen wird. Dies führt zu niedrigen Prozesskosten.
Hielscher Ultrasonics
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Literatur:
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• Gedanken, Aharon: Using sonochemistry for the fabrication of nanomaterials. In: Ultrasonics Sonochemistry 11/ 2004; 47-55.
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• Zhu, Jun-Jie; Xu, Shu; Wang, Hui; Zhu, Jian-Min; Chem, Hong-Yuan: Sonochemical Synthesis of CdSe Hollow Spherical Assemblies Via an In-Situ Template Route. In: Advanced Materials 15/ 2003; 156-159.
