Dünnere Solarzellen dank Nanoteilchen
Nanostrukturen könnten für mehr Licht in der aktiven Schicht von Solarzellen sorgen.
Nanostrukturen könnten mehr Licht in die aktive Schicht von Solarzellen lenken, so dass der Wirkungsgrad steigt. Martina Schmid vom Helmholtz Zentrum (HZB) und der Freien Universität (FU) Berlin hat nun genau gemessen, wie unregelmäßig verteilte Silber-Partikel die Lichtausbeute verändern. Demnach wechselwirken die Nanoteilchen über ihre elektromagnetischen Nahfelder miteinander und bilden so lokale „Hot Spots“, die das Licht besonders stark konzentrieren. Die Arbeit weist den Weg für das gezielte Design solcher Nanostrukturen.
Abb.: Die Silber-Nanoteilchen sind unregelmäßig geformt und zufällig auf der Oberfläche verteilt, zeigt diese Raster-Elektronenmikroskopie-Aufnahme. (Bild: HZB)
Selbst bei Dünnschichtsolarzellen möchte man noch Material und damit Kosten sparen. So bestehen zum Beispiel Chalkopyrit-Zellen (CIGS) teilweise aus seltenen Elementen wie Indium und Gallium. Macht man die aktive Schicht jedoch sehr dünn, absorbiert sie zu wenig Licht und der Wirkungsgrad sinkt. Nanostrukturen könnten das Licht im aktiven Material einfangen und so die Effizienz erhöhen. Diese Idee verfolgt Martina Schmid, die am HZB die Nachwuchsgruppe NanooptiX leitet und an der FU eine Juniorprofessur hat. „Unser Ziel ist es, Nanostrukturen so zu optimieren, dass sie gezielt bestimmte Wellenlängen des Sonnenspektrums in die Zelle hineinstreuen.“
Eine Option dafür sind einfache Nanostrukturen aus Metall-Partikeln, die sich selbst ausbilden, wenn man einen dünnen Metallfilm aufbringt und mit Wärme behandelt. Dafür beschichtete Martina Schmid zunächst ein Glassubstrat mit einem extrem dünnen Silberfilm von 20 Nanometern Stärke, den sie anschließend einer Wärmebehandlung unterzog. Dadurch bildeten sich unregelmäßige Silberpartikel mit Durchmessern um die 100 Nanometer.
Abb.: Topographie der Oberfläche sowie die lokalen optischen Anregungen. Die Aufnahme zeigt mehrere „Hot spots“, die durch Wechselwirkungder Nanoteilchen mit dem Licht und auch untereinander stehen. (Bild: HZB / CalTech)
Wie solche zufällig verteilten Nanopartikel den Lichteinfall auf eine darunterliegende Solarzelle beeinflussen, untersuchte die Forscherin mit Kollegen am California Institute of Technology (CalTech). Sie nutzten dafür eine besonders empfindliche Methode, der Rasternahfeld-Mikroskopie (SNOM): Dabei wird eine extrem feine Spitze über die Probe geführt, die zum einen wie bei der Rasterkraftmikroskopie die Topographie ermittelt, gleichzeitig aber auch durch einen winzigen Kanal in der Spitze die Probe lokal belichtet und Plasmonen in den Nanopartikeln erzeugt. Diese optischen Anregungen können entweder das Licht wie gewünscht in die Solarzelle hineinkoppeln - oder aber im Gegenteil in Wärme verwandeln, wodurch es für die Solarzelle verloren geht.
Die Messungen zeigten, dass es zwischen dicht benachbarten unregelmäßig verteilten Nanopartikeln starke Wechselwirkungen geben kann, was lokal zu „Hot Spots“ führt. „Während die dunklen Regionen Licht verstärkt absorbieren und in Wärme umwandelen, zeigen die hellen „Hot-Spots“, wo die elektromagnetischen Felder von Nanopartikeln besonders stark wechselwirken. Dadurch könnte die Energieumwandlung in der Solarzelle erhöht werden“, erklärt Martina Schmid.
Letztendlich entstehen Bereiche sehr starker, aber auch Bereiche vergleichsweise schwacher Felder. Allerdings ist es schwierig, einen klaren Zusammenhang zwischen dem Auftreten dieser Hot Spots und bestimmten Nanopartikeln herzustellen. „Die Teilchen wirken über ihre elektromagnetischen Nahfelder aufeinander ein, das ist deutlich komplexer als bislang vermutet. Wir müssen nun herausfinden, wie wir gezielt die gewünschten Feldverteilungen erzeugen können“, erklärt Martina Schmid.
HZB / PH
