Solarzellen - besser und billiger

Solarzellen – besser und billiger

Die Effizienz anorganischer Solarzellen lässt sich vielleicht mit Nanokristallen aus Bleiselenid beträchtlich steigern.

Vor 50 Jahren wurde in den USA die Siliziumsolarzelle erfunden. Ungeachtet der technischen Entwicklung seither werden noch immer über 80 % der photovoltaischen Energieumwandler aus kristallinem Silizium hergestellt. Die industriell gefertigten Siliziumsolarzellen wandeln bis zu 16 % der einfallenden Strahlungsenergie in elektrische Energie um. Zellen, die das teure einkristalline Silizium enthalten, schaffen sogar Wirkungsgrade von 25 %. Ist damit die Grenze erreicht?

William Shockley und Hans-Joachim Queisser hatten 1961 für Solarzellen, die unfokussiertes Sonnenlicht nutzen, einen maximal möglichen Wirkungsgrad von 30 % errechnet. Eine der dabei gemachten Annahmen war, dass jedes der in das Halbleitermaterial einfallenden Photonen höchstens ein Elektron-Loch-Paar erzeugt. Die Elektronen und Löcher werden dann voneinander getrennt und zu zwei verschiedenen Elektroden transportiert. Die sich zwischen den Elektroden aufbauende elektrische Spannung kann dann genutzt werden. In Nanokristallen aus Bleiselenid können energiereiche Photonen aber zwei und mehr Ladungspaare erzeugen, wie Untersuchungen am Los Alamos National Laboratory gezeigt haben.

Victor Klimov und seine Mitarbeiter haben eine Lösung der 4–6 nm großen Kristalle mit gepulstem Laserlicht bestrahlt, dessen Photonenenergie zwischen 1,55 eV und 3,10 eV verändert werden konnte. Mit einem Puls regten sie Elektron-Loch-Paare im Halbleitermaterial an. Die beiden entgegengesetzt geladenen Partikel blieben zunächst beieinander und bildeten ein Exziton. Mit Hilfe eines unmittelbar darauf folgenden zweiten Pulses konnten die Forscher beobachten, wie viele Exzitonen mit jedem Anregungspuls im Durchschnitt pro Nanokristall entstanden waren und wie schnell sie durch Rekombination wieder verschwanden.

Um Exzitonen anregen zu können, mussten die Photonen eine Mindestenergie von ca. 0,9 eV haben. So groß war die Energielücke der Halbleiternanokristalle, über die das Elektron aus dem Valenz- ins Leitungsband gehoben werden musste. Doch was passierte, wenn ein Photon überschüssige Energie hatte? In den großen Halbleiterkristallen von herkömmlichen Solarzellen wird die überschüssige Energie an das Elektron und das Loch weitergegeben, die sie dann nach kurzer Zeit an das Kristallgitter verlieren. Die überschüssige Energie des Photons kann also nicht genutzt werden. In den Nanokristallen aus Bleiselenid sind hingegen andere Anregungsprozesse möglich. Hier kann ein Photon ein energiereiches Exziton erzeugen, aus dessen überschüssiger Energie dann ein zweites oder sogar ein drittes Exziton entstehen kann. Die Energie der einfallenden Photonen wird deshalb wesentlich besser ausgenutzt.

Die Experimente zeigten, dass die Photonenenergie E mindestens dreimal so groß wie die Energielücke ΔE der Nanokristalle sein musste, damit zwei oder mehr Exzitonen angeregt werden konnten. Mindestens ein ΔE war nötig, um das erste Exziton anzuregen. Die überschüssige Energie verteilte sich dann gleichmäßig auf das Loch und das Elektron. Weitere Exzitonen entstanden, wenn die Energie des Lochs oder des Elektrons größer als ΔE war. Also: E > ΔE + 2ΔE. Photonen mit einer Energie von 1,55 eV konnten demnach nur jeweils ein Exziton anregen, während 3,10 eV für zwei und mehr Exzitonen ausreichten. Hatten die Photonen genug Energie, so erfolgte die Anregung zusätzlicher Exzitonen mit sehr großer Effizienz.

Allerdings zerfielen diese Exzitonen auch wieder sehr schnell. Dabei liefen die Vorgänge, die zu ihrer Entstehung geführt hatten, gewissermaßen rückwärts ab. Ein Exziton gab seine Energie an ein anderes ab und verschwand. Diese so genannte Auger-Rekombination fand innerhalb von 10 bis 100 Picosekunden (10 ^-12 s) statt. Frühere Experimente hatten indes gezeigt, dass diese Zeitspanne völlig ausreicht, um ein Exziton in seine Bestandteile zu zerlegen, also das Elektron vom Loch zu trennen. Die auf diese Weise an der Rekombination gehinderten Elektronen und Löcher könnten dann zu den Elektroden einer Solarzelle transportiert werden.

Die Forscher schätzen, dass sich der Wirkungsgrad einer Solarzelle mit Bleiselenidnanokristallen durch die zusätzlichen Exzitonen um ca. 10 % steigern lässt. Gelänge es, die Mindestenergie der Photonen von 3ΔE auf 2ΔE zu senken – etwa indem man die überschüssige Energie nur den Elektronen und nicht auch den Löchern zukommen lässt – dann könnte der Wirkungsgrad sogar um 37 % erhöht werden. Bei Ausnutzung weiterer Möglichkeiten erscheint eine Effizienz von insgesamt 60 % möglich – also doppelt so viel, wie von Shockley und Queisser errechnet.

Dagegen nimmt sich ein Wirkungsgrad von 4,2 %, wie er jetzt für Solarzellen aus organischem Material erreicht wurde, auf den ersten Blick recht bescheiden aus. Allerdings lassen sich diese Solarzellen preiswerter und großflächiger herstellen als
Solarzellen aus anorganischen Halbleitern. Die von Stephen Forrest und seine Kollegen an der Princeton University entwickelte organische Solarzelle ist relativ einfach aufgebaut. Das Sonnenlicht fällt durch eine transparente ITO-Elektrode (ITO=Indiumzinnoxid) auf eine 20 nm dicke Schicht aus einer organischen Kupferverbindung. Darunter befinden sich eine 40 nm dicke Schicht aus C ₆₀-Molekülen, eine exzitonen-blockierende organische Schicht und eine Silberelektrode. Es liegt vor allem an der verbesserten ITO-Elektrode, dass diese organische Solarzelle den seit 2001 bestehenden Rekord für den Wirkungsgrad überbieten konnte. Auch 50 Jahre nach ihrer Erfindung hat die Solarzelle – ob organisch oder anorganisch – noch längst nicht ihr volles Potenzial entfaltet.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  R. D. Schaller und V. I. Klimov, High Efficiency Carrier Multiplication in PbSe Nanocrystals: Implications for Solar Energy (2004).
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0404368
  Jiangeng Xue et al., 4.2% efficient organic photovoltaic cells with low series resistances, Appl. Phys. Lett. 84, 3013 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.1713036   
• Kontakt:
  Victor Klimov, E-Mail: klimov@lanl.gov
  Stephen Forrest, E-Mail: forrest@ee.princeton.edu   
• Klimov-Gruppe in Los Alamos:
  http://quantumdot.lanl.gov/   
• Forrest-Gruppe in Princeton:
  http://www.ee.princeton.edu/~ocmweb/   
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Weitere Literatur:

• Martha Christina Lux-Steiner und Gerhard Willeke, Strom von der Sonne, Physikalische Blätter, November 2001, S. 47.   
• Peter Würfel und Thorsten Trupke, Solarzellen der dritten Generation, Physik Journal, Dezember 2003, S.