In der Lichtfalle: optimierte Solarzellen aus Jena
Wissenschaftler stellen ein innovatives Herstellungsverfahren für Nanodrähte vor. Mit ihm lässt sich eine neue effiziente Generation von Solarzellen schaffen.
Forscher des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) haben zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen (MPL) jetzt ein neues Herstellungskonzept für Solarzellen vorgestellt. Mittels einfacher Chemie erzeugten sie Nanodrähte auf einer Siliziumscheibe. Glänzt so ein Wafer normalerweise bläulich und reflektiert wie ein Spiegel, erscheint er nach dem Verfahren dunkel-matt wie Samt, unter einer UV-Lampe leuchten die hergestellten Nanostrukturen jedoch rot auf – der Schlüssel für zukünftige hocheffiziente und kostengünstige Solarzellen.
Abb.: Eine UV-Lampe zeigt deutlich die Photolumineszenz der Nanodrähte auf einer Hälfte des Wafers. (Bild: Döring, IPHT)
Der Durchmesser eines Drahtes entspricht etwa dem 10.000sten Teil der Dicke eines menschlichen Haares. Licht im Wellenlängenbereich von 300 bis 1100 nm wird zu 90 Prozent von solch einer Schicht aus Nanodrähten absorbiert, die dünnen Drähte sind also ideale Lichtfallen. Der zweistufige Herstellungsprozess ist sehr einfach, effektiv und kostengünstig. Als erstes werden aus einer Lösung Silber-Nanopartikel auf der Oberfläche des Wafers aus Silizium abgeschieden. Dann erfolgt das nasschemische Ätzen der Nanostrukturen mit einem Wasserstoffperoxid-Flusssäure-Gemisch. Die Silber-Nanopartikel sinken dabei in das Silizium. Es entsteht eine Unmenge an Drähten, die den Wafer aufgrund der hohen Absorption des sichtbaren Lichts schwarz erscheinen lassen.
Die für eine Solarzelle notwendigen Kontakte und Isolationsschichten zur Ladungstrennung werden in weiteren Schritten auf die Nanodrähte aufgebracht. Ein geeigneter Aufbau aus diversen leitfähigen und isolierenden Schichten wandelt das eingefangene Licht in elektrische Energie um. Die Gesamteffizienz so einer Nanodraht-Solarzelle liegt momentan bei 9,1 Prozent. Dieser Wert ist einer der weltweit höchsten, der mit Dünnschicht-Silizium erreicht wurde. Herkömmliche Solarzellen (Siliziumwaferzellen) die derzeit die Landschaft auf heimischen Dächern prägen, erreichen ein Wirkungsgrad von mehr als 18 Prozent. Allerdings erfordert die Herstellung solcher Waferzellen selbst einen hohen Energie- und Materialeinsatz. Hier sollen die Nanodraht-Solarzellen nach weiterer Entwicklung deutlich kostengünstiger sein.
Abb.: Unter dem Rasterelektronenmikroskop sind die unzähligen „Halme“ des Nanodraht-Rasens sichtbar. (Bild: Hoffmann, IPHT)
Die Wissenschaftler wollen nun mit Hilfe von Industriepartnern ihr Konzept in einen industriellen Herstellungsprozess übertragen. Angedacht ist die Produktion zum Beispiel auf Glas oder Folien. Letzteres würde eine Herstellung ähnlich des Prozesses des Zeitungsdruckens ermöglichen. Darüberhinaus wollen sie das Material weiter optimieren, um die Effizienz auf über 15 Prozent zu steigern.
IPHT / OD
