Raue Optik für Solarzellen
Nanostrukturierte Oberflächen sollen Wirkungsgrad erhöhen helfen.
Kristalline Dünnschichtsolarzellen aus Silizium sind preisgünstig und schaffen Wirkungsgrade von gut vierzehn Prozent. Sie könnten allerdings noch mehr leisten, wenn ihre glänzenden Oberflächen weniger Licht reflektieren würden. Eine raffinierte, neue Lösung für dieses Problem hat ein Team um Christiane Becker vom Helmholtz-Zentrum Berlin HZB nun patentieren lassen.
Abb.: Die Nanostruktur wird auf Siliziumoxid (blau) eingeprägt und dann mit Titanoxid (grün) eingeebnet. So entsteht eine optisch raue, aber dennoch glatte Schicht, auf der kristallines Silizium aufwachsen kann. (Bild: HZB)
„Es reicht nicht aus, einfach mehr Licht in die Zelle zu bringen“, weiß Christiane Becker. Denn solche Oberflächenstrukturen können den Wirkungsgrad im Endeffekt sogar verringern, indem sie die elektronischen Eigenschaften des Materials verschlechtern. Die Idee, die David Eisenhauer im Rahmen seiner Promotion im Team von Becker ausgearbeitet hatte, klingt einfach, erfordert aber einen ganz neuen Ansatz: Es geht darum, eine Struktur herzustellen, die sich „optisch rau“ verhält und das Licht gut streuen kann, gleichzeitig aber eine glatte Oberfläche besitzt, auf der die Siliziumschicht nahezu defektfrei aufwachsen kann.
Das Verfahren besteht aus mehreren Schritten: Zunächst stempeln die Forscher eine optimierte Nanostruktur auf eine noch flüssige Siliziumoxid-Vorläuferschicht, die im Anschluss ausgehärtet wird. Dabei handelt es sich um winzige, regelmäßig angeordnete, zylinderförmige Erhöhungen, die Licht einfangen und damit in die Solarzelle leiten. Allerdings wirken sich diese Strukturen ungünstig auf die elektronische Materialqualität der Solarzelle aus. Denn auf der rauen Oberfläche kann die absorbierende Schicht aus kristallinem Silizium nicht fehlerfrei aufwachsen.
Um diesen Konflikt aufzulösen, wird in einem weiteren Schritt eine sehr dünne Schicht aus Titanoxid aufgeschleudert. Dadurch werden die Vertiefungen zwischen den Zylindern ausgefüllt, so dass eine relativ glatte Oberfläche entsteht, auf der das eigentliche Absorbermaterial gut aufgebracht werden kann. Die nun patentierte Beschichtung – SMART – smooth anti-reflective three-dimensional texture – ermöglicht es, Reflexionen zu verringern und mehr Licht in die absorbierende Silizium-Schicht zu bringen, ohne deren elektronische Eigenschaften zu beeinträchtigen.
HZB / JOL
