Selbstreinigende Solarzellen aus schwarzem Silizium

Solarzellen sollen viel Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandelt und dabei möglichst wenig reflektieren. Schon heute kann die Lichtreflexion mit Mikrometer kleinen Pyramiden auf der Oberfläche stark reduziert werden. Noch weiter denken nun Wissenschaftler vom Georgia Institute of Technology in Atlanta, die die Lichtreflexion mit hierarchisch aufgebauten Mikro- und Nanostrukturen auf ein Minimum drücken konnten. Mit einer zusätzlichen Beschichtung zeigte ein erster Prototyp ihrer Solarzelle aus stark Licht absorbierendem sogenannten schwarzen Silizium sogar gute selbstreinigende Eigenschaften, die den Reinigungsaufwand von großflächigen Solarparks senken sollen.

Um die Eigenschaften der speziell strukturierten Oberflächen zu untersuchen, wählte die Arbeitsgruppe um Ching Ping Wong Solarzellen aus monokristallinem Silizium. Zuerst ätzten sie mit einer Mischung aus Kalilauge und Alkohol 5 bis 25 Mikrometer feine Pyramiden in die Oberfläche. Durch diesen Prozess sank der durchschnittliche Reflexionsgrad über einem weiten Spektralbereich (300 – 1200 nm) von knapp 35 auf gut 11 Prozent. Je kleiner die Mikropyramiden struktuiert waren, desto besser konnte die Oberfläche Sonnenlicht reflektieren.

Nach dem nächsten Schritt spielte die Größe der Mikropyramiden dagegen keine signifikante Rolle mehr. Dabei nutzen Wong und Kollegen eine chemische Ätzmethode, mit der – unterstützt durch Nanoteilchen aus Gold – noch feinere Strukturen auf den Pyramidenflächen entstanden. An jeder Kontaktstelle zwischen Silizium und Gold-Nanoteilchen konnte eine Mischung aus Flusssäure und Wasserstoffperoxid gezielt angreifen und binnen vier Minuten etwa zwei bis zehn Nanometer feine Klüfte in die Oberfläche ätzen. Nach dem Ätzprozess wurden die überflüssigen Goldpartikel mit einer Waschlösung beseitigt. Die entstandene hierarchisch aufgebaute Mikro-Nano-Struktur reduzierte den gemittelten Reflexionsgrad deutlich auf nur noch 1,4 Prozent.

Eine geringe Lichtreflexion bedeutet, dass die einfallenden Lichtstrahlen mehrmals zwischen den Nanostrukturen reflektiert werden und prinzipiell zu einem größeren Anteil zur Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren führen. Die im Rahmen dieser Untersuchungen entstandenen Solarzell-Prototypen erreichten maximal zwar nur einen Wirkungsgrad von 16,5 Prozent. Doch übertragen auf bessere monokristalline Siliziumzellen, die heute über 25 Prozent Sonnenlicht in Strom umwandeln können, versprechen diese Antireflexionsschichten weitere Steigerungsmöglichkeiten für den Wirkungsgrad.

Für den Praxiseinsatz relevant zeigte sich zudem die Beschichtung dieser Solarzellen mit einer stark hydrophoben Substanz (Perfluorooctyltrichlorosilan, PFOS). Ohne den Wirkungsgrad zu beeinflussen blieben auf der nanostruktuierten Fläche keine Wassertropfen mehr haften. Beim Abperlen könnte das Wasser so leicht Verunreinigungen abwaschen. Diese Art der Selbstreinigung hat das Potenzial, die Wartungskosten von großen Solarparks deutlich zu senken. Nun bleibt abzuwarten, ob und wann Hersteller von Solarzellen diese Ätzmethode für nanostruktuierte Oberflächen aufgreifen und an ihre Produktionsprozesse anpassen.

Jan Oliver Löfken

OD