Mehr Sonnen- strom aus Dünnschicht-Solarzellen

Mehr Sonnenstrom aus Dünnschicht-Solarzellen

Mit mehrschichtigen Nanostrukturen lässt sich Sonnenlicht in nichtkristallinen Dünnschichtzellen aus Silizium effizienter nutzen.

Um hohe Wirkungsgrade zu erzielen, sollten Solarzellen das Sonnenlicht nicht nur gut auffangen können. Zudem müssen die erzeugten freien Ladungsträger im Halbleitermaterial auch bis zur Elektrode gelangen, um zu einem Stromfluss beizutragen. In Dünnschichtzellen aus amorphen Silizium erfüllen dickere Schichten die erste Aufgabe, dünnere dagegen die zweite besonders gut. Ein amerikanisch-schweizerisches Forscherteam schaffte es nun, mit einer nanostrukturierten Zelle, beiden Anforderungen zugleich gerecht zu werden.

"Die freien Weglängen [der Ladungsträger] sind in amorphem Silizium signifikant kürzer als im kristallinen Material", erläutern Michael Naughton vom Boston College in Chestnut Hill und seine Kollegen von der Technischen Hochschule in Lausanne. Um die Silizium-Schichten nicht dicker als 100 Mikrometer zu gestalten und trotzdem effiziente Lichtabsorption zu erreichen, entwickelten die Forscher eine nanokoaxiale Struktur. Diese ähnelt im Prinzip dem wellenleitenden Aufbau von optischen Koaxialkabeln, nur dass das Dielektrikum der Kabel gegen den photovoltaischen Absorber ausgetauscht wurde.

Für ihren Prototyp ätzten die Wissenschaftler in einen Siliziumrohling zahlreiche 1,6 Mikrometer hohe Nanosäulen. Rund 100 Millionen davon ballen sich auf einem Areal von der Größe einer Spielwürfelseite. Diese Säulen beschichteten sie nacheinander mit einer dünnen Legierung aus Titan, Silber und Gold, der Licht aktiven Siliziumschicht und einer Lage aus durchsichtigem und leitfähigem Indiumzinnoxid. Durch diese koaxial angeordneten Nanomäntel erzielten die Forscher die gewünschte hohe Absorption. Eine nur 90 Nanometer dünne Siliziumschicht konnte in den Messungen so effizient Sonnenlicht einfangen wie eine dreimal dickere Lage in einer vollständig flach aufgebauten Solarzelle. Da die Siliziumschicht sehr dünn war, hielt sich auch der Verlust an einmal erzeugten Ladungsträgern in Grenzen.

Bewegten sich bisher Dünnschichtzellen auf Siliziumbasis bei Wirkungsgraden zwischen fünf und sieben Prozent, konnten sie nun auf über acht Prozent verbessert werden. Weitere Steigerungen halten die Forscher mit optimierten Nanostrukturen für möglich. Die hauchdünnen Schichten sparen aber nicht nur Material. Eine Untersuchung des Alterungsverhalten zeigte zudem, dass die "Nanocoax"-Zellen weit weniger anfällig waren als planer aufgebaute Lichtfänger. Der Grund liegt in der Reduzierung der lichtinduzierten Degration der Halbleiterschichten.

Allerdings sind die ersten Prototypen einer Nanocoax-Solarzelle wegen des aufwändigen Ätzverfahrens noch teure Einzelstücke. Aber mit Kunststoffen als Trägermaterial, auf die die winzigen Säulen mit einem Nanodruckverfahren deponiert werden könnten, ließen sich die Produktionskosten deutlich senken. Mit einer ausgefeilteren Geometrie der Oberfläche halten es die Forscher zudem für möglich, mit diesem bereits patentierten Verfahren die Wirkungsgrade noch weiter zu steigern.

Jan Oliver Löfken

• Department of Physics, Boston College:
  http://www.physics.bc.edu/Deptsite/index.shtml
   
• École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL):
  http://www.epfl.ch/index.fr.html

Weiterführende Literatur:

• J. Rybczynski et al.:Subwavelength waveguide for visible light. Appl. Phys. Lett. 90, 021104 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2430400
   
• B. Tain et al.: Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources. Nature 449, 885 (2007)
http://dx.doi.org/10.1038/nature06181


• M.A. Green et al., Prog. Photovolt. Res. Appl. 17, 85 (2009)

 KP