Solarstrom aus Bismutferrit
Mit einem wenige Nanometer feinen Kontakt lassen sich hohe fotovoltaische Spannungen und Stromdichten abgreifen.
Mit einem wenige Nanometer feinen Kontakt lassen sich hohe fotovoltaische Spannungen und Stromdichten abgreifen.
Künftig lässt sich vielleicht schon mit einer einzigen Solarzelle etwas anfangen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik entdeckten einen Effekt, aufgrund dessen ein fotovoltaisches Element aus Bismutferrit eine Spannung von bis zu 40 Volt und nennenswerte Stromdichten liefert.
Abb.: In Bismutferrit erzeugt Licht besonders hohe Spannungen, denn die erzeugten Ladungsträger werden von einem elektrischen Feld getrennt, das aufgrund der Struktur beziehungsweise der elektrischen Polarisation des Materials entsteht, und nicht von einem äußeren Feld abhängt. Die Aufnahme zeigt unterschiedlich polarisierte Bereiche im Bismutferrit in polarisiertem Licht. (Bild: M. Alexe / MPI für Mikrostrukturphysik)
Solarzellen aus Silizium erzeugen zwar brauchbare Stromdichten, aber nur Spannungen von 0,5 Volt. Deshalb werden sie in großer Zahl hintereinander geschaltet. Marin Alexe und Dietrich Hesse vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle entdeckten nun einen Effekt, der Bismutferrit für die Fotovoltaik interessant machen könnte. Sie stellten fest, dass eine mit Licht bestrahlte Probe des Materials vergleichbare Stromstärken liefert, egal ob sie den Strom durch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops oder durch einen, die ganze Probe bedeckenden, makroskopischen Kontakt fließen lassen. Da der Durchmesser der Spitze gerade einmal 20 Nanometer beträgt, die Probe aber mehrere Quadratmillimeter misst, übertrifft die Stromdichte in der Spitze die im makroskopischen Kontakt um mehr als das zehn millionenfache. Warum sich die Stromdichte so drastisch gegenüber den Erwartungen erhöht, lässt sich noch nicht abschließend erklären. Wahrscheinlich dringt das elektrisch Feld aus der Spitze des Rasterkraftmikroskops nicht linear in das Bismutferrit ein, sondern breitet sich von der Spitze kugelförmig aus. „Wie ein Staubsauger saugt die Spitze dann Ladung aus einem Bereich an, der deutlich größer ist als die Spitze selbst“, erklärt Marin Alexe.
Ein Nanokontakt alleine liefert aber noch keine brauchbare Stromstärke. „Die Stromstärke erhöht sich aber fast linear mit jeder zusätzlichen Spitze“, sagt Marin Alexe. Mit einem großen Ensemble von Nanokontakten lassen sich demnach auch praxisrelevante Stromstärken erzeugen. Zwar dürfte das Material für die Massenfertigung zu teuer sein, für Nischenanwendungen könnte es aber sehr wohl interessant sein: Etwa wenn auch die magnetischen oder ferroelektrischen Eigenschaften des Bismutferrits gefragt sind. Oder wenn sich aus Platzgründen nicht beliebig viele herkömmliche Solarzellen hintereinander schalten lassen. Ein fotovoltaisches Element aus Bismutferrit liefert nämlich 40 bis 60, je nach Probe sogar bis zu 80 Mal höhere Spannungen als eine Solarzelle aus Silizium.
MPG / KK
