Solarzellen aus Ferroelektrika

Der photo­voltaische Effekt ferro­elektrischer Kristalle in Solarzellen lässt sich um den Faktor 1000 erhöhen, wenn drei verschiedene Materialien in einem Gitter angeordnet werden. Das haben Forschende der Martin-Luther-Universität Halle-Witten­berg nun zeigen können. Dafür erzeugten sie kristalline Schichten aus Barium-, Strontium- und Calcium­titanat, die sie abwechselnd übereinander­legten. Die Ergebnisse könnten zu einer deutlich höheren Effizienz von Solar­modulen beitragen.

Aktuell basieren die meisten Solarzellen auf Silizium, doch ihr Wirkungs­grad ist begrenzt. Seit einigen Jahren wird deshalb an neuen Materialen geforscht, etwa an Ferroelektrika, wie Bariumtitanat, einem Mischoxid aus Barium und Titan. „Ferro­elektrisch bedeutet, dass das Material räumlich getrennte positive und negative Ladungen besitzt“, erklärt Physiker Akash Bhatnagar vom Zentrum für Innovations­kompetenz SiLi-nano. „Die Ladungs­trennung führt zu einer asymmetrischen Struktur, die eine Strom­erzeugung unter Licht ermöglicht.“ Im Gegensatz zu Silizium benötigen ferro­elektrische Kristalle für den photo­voltaischen Effekt keinen pn-Übergang, also keine positiv und negativ dotierten Schichten, was die Herstellung von Solarmodulen wesentlich erleichtert.

Reines Bariumtitanat absorbiert allerdings wenig Sonnenlicht und erzeugt demzufolge einen vergleichs­weise geringen Lichtstrom. Die neuere Forschung hat jedoch gezeigt, dass die Kombination verschiedener Materialien in extrem dünnen Schichten die Ausbeute der Sonnenenergie deutlich erhöht. „Wichtig dabei ist, dass sich ein ferro­elektrisches mit einem para­elektrischen Material abwechselt. Letzteres weist zwar keine getrennten Ladungen auf, kann unter bestimmten Bedingungen, etwa bei niedriger Temperatur oder leichten Modi­fikationen der chemischen Struktur, jedoch ferro­elektrisch werden“, erklärt Bhatnagar.

Die Forschungsgruppe von Bhatnagar hat nun heraus­gefunden, dass der photovoltaische Effekt nochmals deutlich verstärkt wird, wenn sich die ferro­elektrische Schicht nicht nur mit einer, sondern mit zwei verschiedenen para­elektrischen Schichten abwechselt. Doktorandin Yeseul Yun sagt: „Wir haben das Bariumtitanat zwischen Strontium- und Calcium­titanat eingebettet. Dafür werden die Kristalle mit einem Hochleistungs­laser verdampft und auf Trägersubstraten wieder abgelagert. Das so hergestellte Material besteht aus 500 Schichten und ist etwa 200 Nanometer dick.“ Für die photo­elektrischen Messungen wurde das neue Material mit Laserlicht bestrahlt. Das Ergebnis überraschte selbst die Forschungs­gruppe: Im Vergleich zu reinem Barium­titanat ähnlicher Dicke war der Stromfluss bis zu eintausendmal stärker und das, obwohl der Anteil des Barium­titanats als photo­elektrische Hauptkomponente um fast zwei Drittel reduziert wurde. „Offenbar führt die Interaktion der Gitter­schichten zu einer wesentlich höheren Permittivität – also dazu, dass die Elektronen aufgrund der Anregung durch die Photonen deutlich leichter abfließen können“, erklärt Akash Bhatnagar. Die Messungen haben obendrein gezeigt, dass dieser Effekt sehr robust ist: Er war über einen Zeitraum von sechs Monaten nahezu konstant.

Die weitere Forschung muss nun zeigen, welche Ursachen genau für den überragenden photo­elektrischen Effekt verant­wortlich sind. Bhatnagar ist zuver­sichtlich, dass das demonstrierte Potenzial des neuen Konzepts für die praktische Anwendung in Solarmodulen genutzt werden kann: „Die Schicht­struktur zeigt in allen Temperatur­bereichen eine höhere Ausbeute als ein reines Ferro­elektrikum. Zudem sind die verwendeten Kristalle deutlich langlebiger und benötigen keine spezielle Verpackung.“

MLU / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Y. Yun et al.: Strongly enhanced and tunable photovoltaic effect in ferroelectric-paraelectric superlattices, Sci. Adv. 7, eabe4206 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abe4206 
• Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) SiLi-nano (A. Bhatnagar), Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg