Flexible Siliziumsolarzelle aus dem Tauchbad

Die Oberflächenspannung sorgt dafür, dass sich winzige Siliziumwürfel auf einer Folie geordnet ablagern.

Die herkömmliche anorganische Halbleiterelektronik und die Plastikelektronik aus organischen Materialien sind in vieler Hinsicht komplementär. Während sich anorganische Halbleiter durch ihre hervorragenden elektrischen Eigenschaften auszeichnen, lassen sich die entsprechenden organischen Substanzen leichter verarbeiten und auf flexible Unterlagen aufbringen. Wie man die Vorteile beider Halbleiterwelten miteinander verbinden kann, haben jetzt Forscher der University of Minnesota in Minneapolis demonstriert. Sie stellten aus monokristallinem Silizium mikrostrukturierte Solarzellen her, indem sie eine präparierte Folie aus einem „verunreinigten“ Öl-Wasser-Bad herauszogen.

Bei der Verunreinigung handelte es sich um 20 bis 60 µm große Siliziumwürfel, die auf einer Seite mit einer Goldschicht als Kontaktierung überzogen waren. Während die Goldseite ihrerseits eine hydrophile Beschichtung hatte, trug die Siliziumoberfläche einen wasserabweisenden Überzug. Diesen Siliziumstaub gaben Robert Knuesel und Heiko Jacobs in ein Gemisch aus Öl und Wasser. Aufgrund der Oberflächenspannung sammelten sich die winzigen Würfel an der Grenzschicht der beiden Flüssigkeiten, wobei die Goldseite nach unten ins Wasser getaucht war.

Aus dem Flüssigkeitsgemisch zogen die Forscher eine Kupferfolie, die sie mit Kunststoff beschichtet hatten. Die Beschichtung hatte schachbrettförmig angeordnete Löcher, die mit einem Lötmittel aufgefüllt waren und etwa so groß waren wie die Würfelflächen. Wenn sich die Folie durch die Grenzfläche von Wasser und Öl bewegte, so riss sie die dort an der Kontaktlinie schwimmenden Würfel mit. In der Grenzfläche wurden weitere Würfel zur Kontaktlinie transportiert, sodass der Nachschub gesichert war. Die von der Folie mitgerissenen Würfel setzten sich von selbst mit ihrer Goldseite auf die lotgefüllten Löcher. Da die Temperatur des Tauchbades bei 95 °C lag, war das Lot flüssig, sodass es einen guten elektrischen Kontakt mit der Goldseite bilden konnte.

Bei einer Extraktionsgeschwindigkeit der Folie von 30 mm/s gelang es den Forschern, 62500 Siliziumwürfel in 45 s in der gewünschten Anordnung auf die Folie aufzutragen und zu kontaktieren. Dabei lag die Genauigkeit bei 0,9 µm und die Fehlerrate war kleiner als 2 %. Das neue Verfahren übertrifft damit die Genauigkeit, die bei der Herstellung von gedruckter Plastikelektronik erreicht wird. Zudem ermöglicht es, flexible Solarzellen herzustellen, die 90 % weniger an monokristallinem Silizium enthalten als herkömmliche Solarzellen aus diesem Material.

RAINER SCHARF

• Gruppe von Heiko O. Jacobs an der University of Minnesota in Minneapolis
  http://www.ece.umn.edu/~hjacobs/

KP