Zerknitterte Solarzellen sind besser
Tiefe Falten und Spalte fangen das Licht und erhöhen die Ausbeute.
Forscher an der Princeton University haben Solarzellen aus organischem Halbleitermaterial auf einem faltigen Substrat hergestellt, die wesentlich effizienter sind als entsprechende Solarzellen auf glatter Unterlage. Wie Lynn Loo und ihre Kollegen berichten, hatten die „zerknitterten“ Solarzellen einen um 47 Prozent höheren Photostrom als die glatten. Für Infrarotlicht mit Wellenlängen oberhalb von 650 nm, das die Halbleiterschicht nur schlecht absorbierte, ließ die Strukturierung der Unterlage die Quantenausbeute um 600 Prozent hochschnellen.
Abb.: Das stark gefaltete Substrat der Solarzelle lenkt das Licht (blaue Pfeile) so um, dass es in der aktiven Halbleiterschicht (gelb) einen Weg zurücklegt, der viel länger ist als die Schichtdicke. (Bild: J. B. Kim et al., Nat. Photon.)
Die faltige Unterlage stellten die Forscher her, indem sie eine geeignete adhäsive Schicht auf ein Glas- oder Plastikplättchen aufbrachten und mit UV-Strahlung härteten. Dann wurde die Schicht einer Plasmaentladung ausgesetzt, die an der Schichtoberseite Falten entstehen ließ.
Die Wellenlänge der Falten lag je nach UV-Bestrahlungsdauer zwischen 1,2 µm und 5 µm. Mit zunehmender Dauer der Plasmaentladung wurden die Falten immer höher und rückten zusammen, bis schließlich auch tiefe Spalte auftraten. Auf die so präparierte Oberfläche wurde eine 300 nm dicke Schicht des Halbleitermaterials aufgetragen, die die Falten und Spalte auffüllte. Anschließend wurde die Schicht kontaktiert.
Die Forscher stellten aus denselben Materialien Solarzellen auf glatter bzw. leicht gefalteter Unterlage sowie auf einer Unterlage mit Falten und tiefen Spalten her. Dann verglichen sie die photoelektrischen und mechanischen Eigenschaften der drei Solarzellentypen.
Die faltigen Solarzellen hatten über dem ganzen untersuchten Spektralbereich von 350 nm bis 900 nm eine 50 % größere Quantenausbeute als die glatten Solarzellen. Bei beiden Typen fiel die Ausbeute jedoch oberhalb von 650 nm, der Absorptionskante des Halbleiters, steil ab. Die Solarzelle mit den Spalten hatte unterhalb von 650 nm eine doppelt so hohe Ausbeute wie die glatte Solarzelle. Oberhalb von 650 nm fiel die Ausbeute jedoch kaum ab und war gut sechsmal so groß wie die der glatten Zelle.
Diese stark erhöhte Quantenausbeute führen die Forscher auf einen geometrischen Effekt zurück. Wie Simulationsberechnungen zeigten, lenken die Falten und Spalte im Substrat das einfallende Licht so ab, dass es wesentlich größere Strecken in der aktiven Halbeiterschicht zurücklegt als bei senkrechtem Einfall, wie er in den glatten Solarzellen auftritt. Dadurch erhöht sich die Lichtabsorption bei 750 nm um bis zu 7 % in der faltigen Solarzelle und um bis zu 22 % in der Solarzelle mit Spalten.
Auch die mechanischen Eigenschaften der „zerknitterten“ Solarzellen waren besser als die der glatten. Die Falten und Spalte machten die Zellen flexibler, sodass sie ihre relativ hohe Ausbeute auch nach 100 Biegebelastungen behielten, während sich die photoelektrischen Eigenschaften der glatten Zellen durch Verbiegen deutlich verschlechterten.
Rainer Scharf
