Gold-Nanoantennen könnten zu effizienteren Solarzellen führen

Forscher an der Rice Universität entwickelten ein System, das Nanoantennen mit Halbleitern kombiniert und ein größeres Spektrum der Sonnenstrahlen für die Energiegewinnung in Solarzellen ausnutzt

Houston (USA) - Mehr als ein Drittel des Spektrums der Sonnenstrahlung, die auf unsere Erde trifft, befindet sich im infraroten Bereich. Silizium, das in Solarzellen am meisten verwendete Material um Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln, absorbiert jedoch keine Photonen in diesem Energiebereich. Wissenschaftler an der Rice Universität haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie anhand einer Nanoantenne aus Gold infrarotes Licht einfangen und für die Erzeugung von Strom mit Silizium nutzen können.

Die Forschergruppe um Mark Knight entwickelte eine Technik, die das Prinzip von Nanoantennen mit Halbleitern kombiniert. Die Nanoantenne besteht aus einem nanometergroßen Goldbarren und fängt das Licht ein. Dabei entstehen sogenannte Plasmonen - kollektive Elektronenschwingungen, die sich durch die Antenne bewegen. Diese Plasmonen geben ihre Energie an einzelne Elektronen ab, die über eine Energiebarriere, die Schottky-Barriere, in das Silizium gelangen und eine Ladungstrennung verursachen. Durch die Ladungstrennung lässt sich ein elektrischer Strom gewinnen. Die Schottky-Barriere bezeichnet die Energiebarriere zwischen dem Gold (Metall) und dem Silizium (Halbleiter). Sie ist kleiner als die Energielücke von Silizium und ermöglicht somit, dass auch Photonen mit geringerer Energie, also im infraroten Bereich, absorbiert werden. Somit lässt sich ein größerer Bereich des Sonnenspektrums zur Energiegewinnung ausnutzen und könnte in Zukunft zu effizienteren Solarzellen führen.

Übliche Solarzellen beruhen auf dem p-n-Übergang in Halbleitern. An dem Übergang eines negativ-dotieren Halbleiters zu einem positiv-dotierten Halbleiter findet bei Lichteinwirkung eine Ladungstrennung statt. Diese Trennung erfolgt in einem elektrischen Strom und findet nur ab einer gewissen Energieschwelle statt. Dafür ist die sogenannte Bandlücke eines Materials charakteristisch. Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke können nicht von dem Material absorbiert werden und führen zu keiner Ladungstrennung. In Silizium liegt diese Energielücke oberhalb der Energie von infrarotem Licht, sodass dieses nicht absorbiert wird.