Solarzelle: Mehr Strom mit Nanomänteln

Analoger Aufbau zu einem Koaxial-Kabel steigert Wirkungsgrad von nichtkristallinen Dünnschichtzellen aus Silizium

Solarzelle mit Nanosäulen
Solarzelle mit Nanosäulen

Chestnut Hill (USA) - Solarzellen mit nur hauchdünnen, amorphen Silizium-Schichten sparen zwar Material, liegen mit Wirkungsgraden zwischen 5 und 7 Prozent jedoch deutlich unter kristallinen Zellen. Aber mit einer geschickt nanostrukturierten Oberfläche lässt sich die Stromausbeute der Dünnschichtzellen deutlich erhöhen. Eine solche Struktur mit winzigen Nanosäulen präsentiert ein schweizerisch-amerikanisches Forscherteam im Fachblatt "Physica status solidi".

"Unsere Nanocoax-Architektur benötigt kein kristallines Material", sagt Michael Naughton vom Boston College in Chestnut Hill. Günstiges und zudem weniger amorphes Silizium reicht aus, um einen für Dünnschichtzellen hohen Wirkungsgrad von über acht Prozent zu erzielen. Um das Sonnenlicht möglichst effizient einzufangen, ätzten sie in einen Siliziumrohling zahlreiche 1,6 Millionstel Meter hohe Nanosäulen. Rund 100 Millionen davon ballen sich auf einem Areal etwa so groß wie eine Würfelseite. Diese Säulen beschichteten sie nacheinander mit einer dünnen Legierung aus Titan, Silber und Gold, der Licht aktiven Siliziumschicht und einer Lage aus durchsichtigem Indiumzinnoxid.

Durch diese Nanomäntel erzielten die Forscher einen lichtleitenden Effekt, der vergleichbar ist mit den guten Transporteigenschaften für elektromagnetische Wellen in einem Koaxialkabel. Eine nur 90 Nanometer dünne Siliziumschicht kann dadurch so effizient Sonnenlicht einfangen wie eine dreimal dickere Lage in einer vollständig flach aufgebauten Solarzelle.

Solche hauchdünnen Schichten sparen aber nicht nur Material. Sie legen auch die Grundlage für die höhere Stromausbeute. Denn in dickeren Siliziumschichten ist es wahrscheinlicher, dass die durch das Sonnenlicht erzeugten positiven und negativen Ladungsträger wieder absorbiert werden bevor sie die Elektrode der Solarzellen überhaupt erreichen und so zum Stromfluss beitragen. Je dünner die Siliziumschicht ist, desto geringer ist der Verlust an einmal erzeugten Ladungsträgern.

Dieser erste Prototyp einer Nanocoax-Solarzelle ist wegen des aufwändigen Ätzverfahrens allerdings noch ein teures Einzelstück. Aber mit Kunststoffen als Trägermaterial, auf die die winzigen Säulen mit einem Nanodruckdruckverfahren deponiert werden, ließen sich die Produktionskosten deutlich senken. Mit einer ausgefeilteren Geometrie der Oberfläche halten es die Forscher zudem für möglich, mit diesem bereits patentierten Verfahren die Wirkungsgrade noch weiter zu steigern.