Auge als Vorbild für Solarzellen
Mikrotrichter aus Silizium erhöhen Lichtabsorption um 65 Prozent.
Mikrometerfeine, vertikale Trichter in einem Siliziumsubstrat steigern die Lichtabsorption in einer damit versehenen Dünnschicht-Solarzelle um 65 Prozent. Das zeigt die Arbeit eines Forscherteams um Silke Christiansen vom Helmholtz-Zentrum Berlin. Als Vorbild diente den Wissenschaftlern dabei eine Biostruktur im Säugetierauge. Die Mikrotrichter führen zu deutlich verbesserten Parametern und einem erhöhten Wirkungsgrad der Solarzellen.
Abb.: Aufnahmen mit dem Raster-Elektronenmikroskop zeigen, wie regelmäßig die in ein Silizium-Substrat eingeätzten Trichter angeordnet sind (links: Längenskala fünf Mikrometer, rechts: ein Mikrometer). Die Trichter durchmessen oben rund 800 Nanometer und laufen unten auf etwa hundert Nanometer spitz zu. (Bild: MPL)
Mitten im Gelben Fleck der Netzhaut sitzt die Fovea Centralis, die Sehgrube, in der die trichterartigen, schlanken Farb-Sehzapfen besonders dicht gepackt sind. Weil sie überdies eins zu eins mit Nervenzellen verschaltet sind, sehen wir in diesem kleinen Bereich ein maximal scharfes Bild. Diese dichtgepackte Zapfen-Struktur hat das Team um Christiansen dazu angeregt, eine ähnliche Struktur in Silizium nachzubilden und ihre Eignung als lichtsammelnde und -leitende Oberfläche für Solarzellen zu untersuchen.
Wie groß die Auswirkung dieser Architektur ist, überraschte Forscher. Aus früheren Untersuchungen ist zwar bekannt, dass eine Architektur aus sehr dünnen Säulen Licht gut absorbiert. Doch schon geringe Abweichungen von der Säulenform hin zum Trichter verstärkten die Absorption. Dabei erfordert die Herstellung der Lichttrichter keinen besonderen Aufwand und ist mit herkömmlichen halbleitertechnologischen Verfahren wie beispielsweise dem reaktiven Ionenätzen oder nasschemischen Ätzprozessen machbar. Verglichen mit einem Silizium-Film gleicher Dicke steigert eine Schicht aus Lichttrichtern die Absorption von Sonnenlicht um 65 Prozent.
Von dem Team durchgeführte Modellierungen zeigen, warum die Felder aus Lichttrichtern erheblich besser Licht einfangen als Teppiche aus Nanosäulen: Optische Moden in Nanosäulen stören sich gegenseitig, ein Feld von eng stehenden Nanosäulen nimmt dadurch weniger effizient Licht auf, als dieselbe Zahl einzelner Nanosäulen es könnte. Bei den Lichttrichtern tritt das Gegenteil ein: Dicht benachbarte Lichttrichter verstärken ihre Absorption gegenseitig.
Abb.: Die Simulation zeigt, wie sich die Form der Nanostrukturen auf die Lichtkonzentration auswirkt. Je spitzer der Trichter zuläuft, desto stärker ist das Licht konzentriert (rot: hohe Konzentration, gelb: geringe Intensität, Bild: MPL)
Christiansen und ihr Team arbeiten weiter an der Verbesserung von Dünnschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis. Sie wollen die Trichter nun in robuste Zellkonzepte einbauen, die sich auch großflächig und kostengünstig realisieren lassen. Dabei können sie auf die Kompetenzen am HZB zugreifen, wo die Abteilung um Rutger Schlatmann sich auf die Hoch-Skalierung von Labormustern spezialisiert hat und Machbarkeitsstudien für großflächige Solarzellen schnell und effizient umsetzen kann. „In dieser Kooperation werden wir hoffentlich zeitnah mit einer 30 cm × 30 cm großen Trichter-Solarzelle wieder von uns hören lassen“, so Christiansen. Außerdem arbeiten die Forscher an einer Nutzung der Trichter für weitere photonische Anwendungen in LEDs und sensorischen Bauelementen.
HZB / RK
