Schwarzes Silizium: Rekombination von Elektron-Loch-Paaren geklärt

Pechschwarz schimmern Solarzellen, die aus schwarzem Silizium gefertigt sind und ohne zusätzliche Beschichtung nur wenig Sonnenlicht reflektieren. Doch dieser Zelltypus mit nanostrukturierter Oberfläche litt bislang unter einem gravierenden Problem: Die vom Sonnenlicht erzeugten Elektron-Loch-Paare rekombinierten zu schnell und verhinderten dadurch Wirkungsgrade von über zwanzig Prozent. Nun entdeckte eine finnisch-spanische Forschergruppe eine elegante Lösung. Dank einer nur wenige Nanometer dünnen Schicht aus Aluminiumoxid existierten die Elektronen-Loch-Paare lang genug, um eine größere photovoltaische Stromausbeute zu ermöglichen. Erste Prototypen zeigten im Labor Wirkungsgrade von über 22 Prozent.

„Diese schwarzen Solarzellen sind ideal für die Bedingungen in nördlichen Regionen geeignet, da sie das Sonnenlicht selbst beim flachen Lichteinfall gut einfangen“, sagt Hele Savin von der Aalto Universität in Espoo nahe Helsinki. Herkömmliche Antireflex-Beschichtungen seien dagegen eher für senkrechten Einfall des Sonnenlichts auf die Solarzelle optimiert. Verantwortlich für diesen Effekt war eine nanostrukturierte Oberfläche des kristallinen Siliziums mit zahlreichen, nur knapp einen Mikrometer hohen Zacken. Mit dieser Struktur sank der Reflexionsgrad für Licht zwischen dreihundert und tausend Nanometer Wellenlänge deutlich unter fünf Prozent.

Dieser Vorteil von strukturierten Silizium-Oberflächen war jedoch schon länger bekannt. Dennoch rangierte der Wirkungsgrad von Solarzellen aus schwarzem Silizium bisher bei Werten unter zwanzig Prozent. Das war zu gering, um mit herkömmlichen Solarzellen konkurrieren zu können. Eine Steigerung auf über 22 Prozent gelang nun mit einer zusätzlichen, zwanzig Nanometer dünnen Schicht Aluminiumoxid. Dank dieser konnten Savin und ihre Kollegen von der Universitat Politècnica de Catalunya in Barcelona die Rekombination der für die photovoltaische Stromerzeugung wichtigen Elektronen-Loch-Paare effizient verringern. Sogar der Reflexionsgrad dieser Oberfläche erreichte mit etwa einem Prozent ein Minimum.

In weiteren Versuchen belegten die Forscher, dass ihre p-Typ-Solarzellen tatsächlich für nördliche Breiten besonders gut geeignet wären. So ermittelten sie die Stromausbeute bei flachem Lichteinfall und verglichen diesen mit der Effizienz herkömmlicher Solarmodule. Bei senkrechtem Lichteinfall lagen beide Zelltypen gleichauf. Doch traf das Sonnenlicht unter bis zu sechzig Grad flacheren Winkeln auf, lieferten die Zellen aus Schwarzem Silizium bis zu drei Prozent mehr Solarstrom. Vorteilhaft wirkte sich dabei auch der Aufbau der gesamten Solarzelle aus, bei der beide Elektroden von der Unterseite an die photovoltaisch aktiven Schichten geführt wurden.

Diese Arbeit könnte nun zu Solarzellen führen, die besonders für Deutschland, Skandinavien und andere weit nördlich oder südlich vom Äquator gelegene Regionen optimiert wären. Da sie auch aus dem weltweit dominierenden Werkstoff – kristallines Silizium – bestehen, wäre eine günstige Massenfertigung möglich. Ausgehend von ihren ersten Studien wollen Savin und ihre Kollegen weitere Solarzellen mit nanostrukturierten, schwarzen Oberflächen entwickeln. Sie halten es für gut möglich, dass sich mit einem weiter optimierten Design der Solarzellen auch Wirkungsgrade deutlich über 23 Prozent erreichen ließen.

„Diese Arbeit wurde teilweise vom Unternehmen SolarWorld Innovations gefördert“, sagt die Photovoltaik-Forscherin. Aufbauend auf dieser Kollaboration sei nun geplant, die Solarzellen aus schwarzem Silizium auch in ganzen Solarmodulen zu integrieren. Dieser Schritt verläuft meist mit einem geringen Wirkungsgradverlust. Dennoch könnte hier eine Chance liegen, um mit europäischem Know-How einen Wettbewerbsvorteil gegenüber Solarmodulen aus Asien zu erreichen. Denn Solarzellen, die trotz flachen Lichteinfalls gute Stromausbeuten liefern könnten, wären für den Ausbau von Solarkraftwerken in nördlichen Regionen ausgesprochen interessant.

Jan Oliver Löfken

OD