Nanosäulen für flexible Solarzellen

Geschickte Zellarchitektur nutzt mehr Sonnenlicht zur Stromerzeugung - Prototyp mit sechs Prozent Wirkungsgrad

Nanosäulen
Nanosäulen

Berkeley (USA) - Kommerzielle Solarzelle auf Siliziumbasis kratzen bereits an der 20-Prozent-Hürde für ihren Wirkungsgrad. Doch die Herstellungskosten sind wegen des hochreinen Siliziums noch relativ hoch. Günstiger und zugleich flexibel können Solarzellen mit winzigen Nanosäulen werden. Amerikanische Forscher entwickelten einen Prototyp aus den Halbleitern Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid, der allein durch seinen geschickten Aufbau dreimal mehr Sonnenlicht zur Stromerzeugung nutzt als Vorgänger aus dem gleichen Materialmix. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Fachzeitschrift "Nature Materials".

"Wir demonstrieren eine Photovoltaik-Struktur mit dreidimensionalen Cadmiumsulfid-Einkristallen eingelagert in einem polykristallinen Film aus Cadmiumtellurid", schreiben Ali Javey und seine Kollegen von der University of California in Berkeley. Die nur etwa 200 Nanometer dicken und 500 Nanometer hohen Säulen konnten die Forscher jeweils senkrecht in einem eng gepackten Areal anordnen. Einfallendes Sonnenlicht wird in den Zwischenräumen eingefangen und über eine kurze Strecke auf die Cadmiumsulfid-Säulen geleitet. Durch diesen dreidimensionalen Aufbau sind die Zellen effizienter als flach angeordnete Halbleiterschichten. Ein erstes Labormuster erreichte einen Wirkungsgrad von etwa sechs Prozent.

Mit diesem Wert können die Nanosäulen-Zellen noch nicht mit herkömmlichen Solarmodulen konkurrieren. Doch Javey hält mit transparenteren Elektroden eine Verdopplung des Wirkungsgrads für möglich. Der Vorteil liegt dagegen in einem günstigen Produktionsprozess, in dem die Nanosäulen kontrolliert in kleinen Poren in einer Aluminiumfolie wachsen können. Über ein einfaches Druckverfahren sollen die Kontaktelektroden auf diese Halbleiterstrukturen deponiert werden. Da nicht nur starres Glas, sondern auch Kunststoffe als Trägermaterial geeignet ist, lassen sich mit den Nanosäulen auch flexible Solarzellen produzieren.

Mit Wirkungsgraden um zehn Prozent und durch die potenzielle Biegsamkeit der Solarmodule tritt dieses Nanosäulen-Konzept in den Wettbewerb mit organischen Solarzellen. Langlebigkeit und Herstellungskosten werden darüber entscheiden, welche Typen sich auf dem Markt durchsetzen können. Kritisch ist allerdings die Verwendung von Halbleitern mit dem giftigen Schwermetall Cadmium. Aber das Nanosäulenkonzept ließe sich auch auf andere, umweltverträglichere Materialien übertragen.