Solarzelle für ultraviolette und infrarote Strahlung

Nur grob die Hälfte des Sonnenlichtspektrums nutzen die der­zeit gängigen Solar­zellen aus kristal­linem Silizium für die Umwand­lung von Sonnen­licht in elek­trische Energie. Auf der Suche nach effek­tiveren Systemen haben chine­sische Wissen­schaftler jetzt drei sulfi­dische Halb­leiter­materialien zu einem nano­struktu­rierten Hybrids­ystem kombi­niert. Dieses System wandelt das volle Sonnen­licht­spektrum vom ultra­violetten bis zum nah­infra­roten Spektral­bereich in Elek­tri­zität um. Die Neuent­wicklung markiert eine neue Ebene auf dem Weg zu effi­zien­teren Solar­anlagen.

Das derzeit in Solarzellen hauptsächlich verwendete kristalline Silizium deckt effektiv nur den sicht­baren Bereich des Sonnen­licht­spektrums ab. Andere Halb­leiter­materialien erreichen weitere Spektral­regionen, aber die ideale Photo­zelle sollte konti­nuier­lich im gesamten Strahlungs­spektrum vom Ultra­violetten bis zum Infra­roten die Strahlung auf­nehmen und um­wandeln können. Shu-Hong Yu und Jun Jiang von der Uni­versity of Science and Techno­logy in Hefei und ihre Mit­arbeiter haben nun ein nano­struktu­riertes Halb­leiter­system ent­wickelt, das effektiv ultra­violettes, sicht­bares und nah­infra­rotes Licht absor­biert. Dieses Ternär­hybrid aus Zink-, Cadmium- und Kupfer­sulfid hat die Form von winzigen, struk­tu­rierten Stäbchen und weist eine ideale An­ordnung der Band­lücken auf, um die durch Licht er­zeugten Ladungs­träger effektiv zu sammeln und weiter­zu­leiten.

Auf Nanostäben aus Zinksulfid ordneten die Wissen­schaftler Cadmium­sulfid­hüllen wie Perlen auf einer Kette an. Das Zink­sulfid absor­biert dabei das UV-Licht, während das Cadmium­sulfid den Bereich des sicht­baren Lichts abdeckt. Für die IR-Absorption wählten die Wissen­schaftler als dritte Komponente fehl­stellen­behaftete Kupfer­sulfid­kristalle, die im nahen Infra­rot eine besondere Absorptions­art auf­weisen: die Ober­flächen-Plasmonen­resonanz. „Diese Hetero­nano­stäbe absor­bieren quer über fast den gesamten Spektral­bereich der Sonnen­energie“, berichten die Wissen­schaftler über ihr Ergebnis.

Die Leistungsfähigkeit der Nanostäbe testeten Yu und seine Mit­arbeiter in der elektro­chemischen Wasser­spaltung. Unter Beleuchtung im gesamten Spektral­bereich ent­wickelten die Elek­troden einen deutlichen Photo­strom: der erste experi­mentelle Hinweis auf ein funktio­nierendes Photo­voltaik­system. Die große Errungen­schaft dieser Arbeit ist jedoch die perfekte Justierung der empfind­lichen Kontakt­stellen zwischen den verschie­denen Halb­leiter­materialien. Die Kontakte ordnen die jeweiligen Energie­lücken der drei Halb­leiter­kristalle so an, dass das Material die Photo­elek­tronen effizient sammeln und weiter­leiten kann. „Durch eine solche gestaf­felte Anordnung werden die photo­erzeugten Elek­tronen und Löcher in der ternären hybriden Nano­struktur effektiv von­ein­ander getrennt“, berichten die Forscher. Obwohl weitere Experi­mente nötig sind, weist dieses System auf effi­zien­tere Solar­zellen hin, die auch jen­seits der Farben des Regen­bogens operieren.

Ang. Ch. / RK