Sonnenstrom aus Nanodrähten

Forscher der Harvard-Universität haben mit Nanodrähten aus Silizium eine Solarzelle gebaut, die etwa tausendmal dünner ist als ein menschliches Haar.

Nanodraht
Nanodraht

Cambridge (USA) - Aus großen, schillernden Flächen aus Silizium bestehen die meisten Solarmodule. Doch auch im Nanomaßstab verspricht dieser Halbleiter eine vielseitige Stromausbeute. In der Zeitschrift "Nature" berichtet das amerikanische Team nun von seiner Solarzelle aus Nanodrähten. Erste Labormuster erreichen einen Wirkungsgrad von 3,4 Prozent. Mit den kommerziellen Solarzellen, deren Wirkungsgrad gen 20 Prozent strebt, können sie zwar 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 wird dabei zuerst von einem Mantel aus reinem, kristallinem Silizium umschlossen. Die äußerste Hülle bildet eine etwa 100 Nanometer dicke Schicht aus negativ-dotiertem Silizium. Einfallendes Sonnenlicht erzeugt Elektronen in der Hülle und Elektronenlöcher im Innern des Nanodrahts. 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.

Für die Herstellung ließ das Lieber-Team die Koaxialdrähte an einem winzigen Goldcluster als Kristallisationskeim wachsen. Die Herstellung der bis zu 22 Mikrometer langen Drähte dauerte allerdings einige Stunden. Für eine wirtschaftliche Massenfertigung müsste dieser Prozess in großen Maßstab parallel ablaufen. Doch bis dahin will 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.