Nanoblöcke optimieren Solarzellen

Eine neue Bauweise für spezielle Solarzellen könnte deren Effizienz deutlich steigern. Dafür dürfen die Zellen nicht nur aus dünnen Schichten, sondern aus gezielt arran­gierten Nano­blöcken bestehen. Das zeigt eine neue Studie eines inter­nationalen Forschungsteams unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU).

Handelsübliche Solarzellen bestehen meist aus Silizium. „Aufgrund der Eigenschaften von Silizium kann man davon ausgehen, dass sich der Wirkungs­grad nicht unendlich steigern lässt“, sagt der Physiker Akash Bhatnagar vom Zentrum für Innovations­kompetenz (ZIK) „SiLi-nano“. Sein Forschungsteam beschäftigt sich daher mit dem anomalen photo­voltaischen Effekt, der in ausgewählten Materialien auftritt. Im Unterschied zur Funktionsweise von Silizium-Solarzellen wird für dessen Auftreten kein p-n-Übergang benötigt, der sonst den Stromfluss ermöglicht. Die Flussrichtung des Stromes wird dabei auf atomarer Ebene durch eine asymmetrische Kristall­struktur der entsprechenden Materialien vorgegeben.

Solche Materialien, in der Praxis häufig Oxide, haben entscheidende Vorteile: Sie sind leichter herzustellen und deutlich langlebiger. Aller­dings absorbieren sie oft nur wenig Sonnenlicht und haben einen sehr hohen elektrischen Widerstand. „Um diese Materialien samt dem Effekt nutzbar zu machen, bedarf es kreativer Zell­architekturen, um die Vorteile zu verstärken und Nachteile auszugleichen", sagt Lutz Mühlenbein. In der neuen Studie stellen die Physiker nun so eine neuartige Zell­architektur vor, ein Nanokomposit. Unterstützt wurden sie von Teams der Bergakademie Freiberg, des Leibniz-Instituts für Oberflächen­modifizierung in Leipzig und der Banaras Hindu University in Indien.

In ihrem Versuch legten die Forscher einzelne, wenige Nanometer dünne Schichten eines typischen Materials waagerecht übereinander und versetzten diese mit senkrecht dazu verlau­fenden Nickeloxid-Streifen. „Diese Streifen sollen als Überholspur für die Elektronen fungieren, die bei Umwandlung von Sonnenlicht in Strom entstehen und die zur Elektrode in der Solarzelle gelangen sollen“, erklärt Bhatnagar. Genau dieser Transport werde nämlich sonst dadurch behindert, dass die Elektronen jede einzelne hori­zontale Schicht durchqueren müssen.

Tatsächlich steigerte die neue Architektur die aus der Zelle nutzbare elek­trische Leistung um das Fünffache. Ein weiterer Vorteil der neuen Methode ist, dass sie sehr leicht umzusetzen ist. „Das Material will selbst so wachsen, es baut sich von selbst in der gewünschten Struktur zusammen. Es sind keine extremen Bedingungen von außen nötig, um es in diesen Zustand zu zwingen“, so Mühlen­bein. Die Idee, für welche die Forscher jetzt eine erste Machbar­keitsstudie geliefert haben, ließe sich auch auf andere Materialien statt Nickeloxid übertragen. Folgestudien müssten nun klären, ob und wie die so gestalteten Solarzellen in einem indus­triellen Maßstab produziert werden können.

MLU Halle / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Mühlenbein et al.: Nanocomposites with Three-Dimensional Architecture and Impact on Photovoltaic Effect, Nano Lett. 20, 8789 (2020); DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03654
• Light for High Voltage Photovoltaics, Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) SiLi-nano, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Halle