Winzige Pyramiden für bessere - und sauberere - Solarzellen

Raue Oberflächen lassen herkömmliche Solarzellen mehr Sonnenlicht einfangen - bei richtiger Struktur sorgen sie obendrein für Selbstreinigung

Atlanta/Salt Lake City (USA) - Gezieltes Aufrauen der Oberfläche steigert die Effizienz von Solarzellen um rund ein Zehntel. Winzige Pyramiden und Grübchen fangen zum einen mehr Sonnenlicht ein, berichten US-Forscher. Zum anderen halten sie die Zellen per Lotos-Effekt von selber sauber. Die neue Oberflächenstruktur entsteht in zwei Größenordnungen: Pyramiden im Mikrometer-Maßstab und Grübchen im Nanometer-Größe. Die Simulationen der Forscher zeigen, dass derart behandelte Silizium-Solarzellen um bis zu zwei Prozentpunkte effizienter werden können. Sie präsentierten die Details auf dem Nationalen Frühjahrstreffen der American Chemical Society in Salt Lake City. Außer für Solarzellen könnte sich diese Oberflächenbehandlung auch für anti-bakterielle Oberflächen in der Medizintechnik eignen, ebenso für verbesserte Geräte in der Mikrofluidik und nicht zusammenhaftende Mikroelektromechanische Systeme (MEMS).

"Je mehr Sonnenlicht in die photovoltaischen Zellen hineingelangt und je weniger reflektiert wird, desto höher kann die Effizienz sein", erklärt C. P. Wong, Materialforscher am Georgia Institute of Technology. Sein Team entwickelte eine zweistufige Methode, um Strukturen in die Siliziumoberfläche zu ätzen. Zunächst legten sie winzige Pyramiden frei, um diese dann mit noch kleineren Grübchen zu überziehen. So behandelten sie im ersten Schritt die Siliziumoberfläche mit einer Kalilauge (KOH). Diese ätzt das Material vor allem entlang der Kristallflächen des Siliziums ab, so dass Pyramiden von nur wenigen Mikrometern Größe entstehen. Dann folgt Schritt zwei mit einer Lösung aus Flusssäure und Wasserstoffperoxid sowie Gold als Katalysator: Kleinste Goldpartikel, die später mit Kaliumiodidlösung wieder entfernt werden, sorgen indirekt für nur Nanometer kleine Grübchen, die die Pyramidenstruktur zusätzlich überdecken. Zum Abschluss folgt ein wasserabweisender Film aus Perfluoroctyl-Trichrolosilan.

Ergebnis ist eine gezielt angeraute Oberfläche, deren Kombination aus Pyramiden und Grübchen das einfallende Licht in schrägen Winkeln reflektiert, statt es direkt wieder zurückzusenden. So gelangen mehr der Strahlen in die Oberfläche hinein. Eine normale Siliziumoberfläche hingegen reflektiert einen großen Teil des eintreffenden Lichts. Kürzlich hatte ein anderes Forscherteam diesen Effekt erzielt, als es die matten Oberflächen von Mottenaugen nachbaute. Die Pyramidenoberfläche allerdings sorgt obendrein für Selbstreinigung - so dass wiederum mehr Licht in die Zelle hineingelangt, denn Schmutz kann rund zehn Prozent.des Lichts zurückhalten. Wie die Blätter der Lotospflanze bietet sie Wassertropfen nicht genügend Halt, so dass diese abrollen müssen. Dabei nehmen sie aufliegende Staub- und Schmutzpartikel mit. Das sollte sogar in trockeneren und in Wüstengebieten funktionieren, so die Forscher, da die Feuchtigkeit des Morgentaus ausreichen dürfte.

Derzeit untersuchen die Forscher, wie robust ihre Oberflächenstrukturen langfristig sind - oder wie robust sie sich machen lassen. Kostenschätzungen hat das Team noch nicht unternommen. Doch sei zu vermuten, dass das zusätzliche Ätzen und Vakuumbeschichten die bisher schon komplizierten Herstellungsprozess von Silizium-Solarzellen nicht dramatisch verteuern sollten.