Winzige Solarzellen

 

Koaxiale Nanodrähte aus Silizium eignen sich als Material für winzige Solarzellen. Erste Labormuster zeigen einen Wirkungsgrad von 3,4 Prozent.

Cambridge (USA) – Nanostrukturen aus Kohlenstoff oder Silizium könnten in Zukunft die Basis für schnellere Computerchips legen. Nun bauten amerikanische Forscher daraus auch eine Solarzelle, die etwa tausendmal so dünn ist wie ein menschliches Haar. In der Zeitschrift „Nature“ berichten sie, dass erste Labormuster einen Wirkungsgrad von 3,4 Prozent zeigten. Mit kommerziellen Solarzellen aus kristallinem Silizium, deren Wirkungsgrad gegen 20 Prozent strebt, können sie damit nicht konkurrieren. Aber Nischenanwendungen beispielsweise für kleine Sensoren oder mobile Geräte halten die Wissenschaftler für möglich.

„Wir konnten zeigen, dass einzelne und verbundene Nanodrähte aus Silizium als robuste photovoltaische Stromquellen für nanoelektronische Sensoren und logische Schaltkreise dienen können“, schreiben die Forscher um Charles M. Lieber von der Harvard University in Cambridge. Für ihre Solardrähte wählten sie einen koaxialen Aufbau. Ein Kern aus positiv-dotiertem Silizium (Durchmesser ~ 100 nm) wird dabei zuerst von einem Mantel aus reinem, kristallinem Silizium (Dicke ~ 50 nm) umschlossen. Die äußerste Hülle bildet eine etwa 100 Nanometer dicke Schicht aus negativ-dotiertem Silizium.

Einfallendes Sonnenlicht erzeugt Elektronen in der n-Schicht und Elektronenlöcher in der p-Schicht. Über angeschlossene Elektroden kann ein Strom mit etwa einem halben Nanoampere bei 0,26 Volt fließen. Ein Nanodraht erreicht unter dem normierten Licht eines Sonnensimulators ungefähr 72 Picowatt Leistung.

Abb.: So sieht das Ende des koaxialen Nanodrahtes in einer eingefärbtem rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme aus. (Quelle: B. Tian, Harvard University)

Für die Herstellung griff das Team auf Verfahren zurück, die sich bereits für einfache Nanodrähte bewährt hatten. So ließen sie zuerst an einem winzigen Goldcluster als Kristallisationskeim das p-Silizium aus einer Silan-Atmosphäre mit geringem Anteil an Phosphin wachsen. Darauf folgte die Ablagerung von reinem Silizium für die mittlere Schicht und schließlich von n-Silizium durch die Zumischung von Diboron. Als Trägergas wählten die Forscher Wasserstoff.

Die Herstellung der bis zu 22 Mikrometer langen Koaxialdrähte dauerte allerdings einige Stunden. Für eine wirtschaftliche Massenfertigung müsste dieser Prozess in großen Maßstab parallel ablaufen. Doch bis dahin will Charles Lieber versuchen, den Wirkungsgrad von derzeit 3,4 Prozent weiter zu erhöhen. Erste Anwendungen kann er sich für die Versorgung von autarken Sensoren oder Schaltkreisen vorstellen. Auf einem entsprechenden Modul müssten lediglich einige der Solardrähte mit integriert werden.

Mit diesen winzigen, im Prinzip günstig herstellbaren Siliziumzellen zielt Lieber auf ähnliche Anwendungsfelder wie die Entwickler von organischen Solarzellen. Diese erreichen mittlerweile Wirkungsgrade von etwa fünf Prozent. Allerdings sind die Zellen für den technischen Einsatz noch nicht stabil genug. Diesen Nachteil weisen die Nanodrähte aus Silizium nicht auf, da sie ähnlich robust sein werden wie ihre großen Verwandten in klassischen Solarmodulen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Bozhi Tian et al., Coaxial silicon nanowires as solar cells and
  nanoelectronic power sources, Nature, Vol. 449, S. 885
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06181
• Harvard University:
  http://www.harvard.edu
• Arbeitsgruppe Lieber:
  http://cmliris.harvard.edu
• Hintergrund Organische Solarzellen:
  http://www.solarserver.de/solarmagazin/solar-report_0807.html