Mehr Solarstrom durch „lichtschluckende“ Nanogitter

Princeton (USA) – Damit Solarzellen möglichst viel Licht zu Strom umwandeln, sollen die Paneele wenig spiegeln und idealerweise das gesamte auftreffende Licht verwerten. Weil das mit üblichen Beschichtungen bislang nur teilweise gelingt, griffen Forscher jetzt zu feinsten Nanogittern aus Gold. Ihre neuartige Sandwichstruktur steigerte die Effizienz organischer Solarzellen um bis zu 175 Prozent, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Optics Express“. Besonders effizient, im Vergleich zu bisherigen Zellen, sammelte die Struktur seitlich einfallendes Licht. Außerdem erlaubt der Aufbau dünnere, flexiblere und günstigere organische Solarzellen. Das Forscherteam hält es für denkbar, mit der Methode auch die Effizienz herkömmlicher Solarzellen auf Siliziumbasis zu steigern. Sie tauften ihr Lochgittersystem „PlaCSH“ (Plasmonic Cavity with Subwavelength Hole-array).

Diagramm mit den fünf Schichten in der Übersicht, mit Pfeilen ist das Sonnenlicht dargestellt, das von oben auf die Zellen trifft.
Schichten des Sandwichs

„Im Experiment erreichten die PlaCSH-Solarzellen eine Absorption von bis zu 96 Prozent in einem breiten Wellenlängenspektrum und beinah unabhängig vom Einfallswinkel“, schreiben Stephen Chou und Wei Ding vom NanoStructure Laboratory der Princeton University. Sie wollten die übliche transparente Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Elektrode ersetzen, die die Oberfläche in Dünnschichtsolarzellen bildet. Darunter liegt die Strom erzeugende aktive Schicht der Solarzellen und darunter eine Metallelektrode. An allen drei Grenzschichten reflektieren Solarzellen einen Teil des Lichts, dieser Anteil ist umso größer, je flacher der Einfallswinkel ist. Solche Streuverluste senken den Effizienzwert der Solarzelle.

Nur vier Prozent Verlust durch Reflexion erreichten Chou und Ding mit ihrem feinen Metallgitter. 30 Nanometer hoch, mit Löchern von 175 Nanometern Durchmesser zwischen 25 Nanometer dünnen Stegen, ist das Gitter aus Gold rund zehntausendmal flacher als ein menschliches Haar. Gemeinsam mit der ebenfalls dünneren aktiven Zwischenschicht ist das ganze Sandwich nur halb so dick wie bei bisherigen organischen Solarzellen. Die kritischen Abmessungen des Systems sind damit kleiner als die Wellenlänge des zu sammelnden Lichts, sodass es ohne nennenswerte Reflexion auch unter flachem Einfallswinkel eingefangen wird. Bei direkter Lichteinstrahlung lag die Effizienz, mit der die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, 52 Prozent höher als üblich, bei seitlichem und diffusem Einfall wie bei Wolkenhimmel lag die Steigerung sogar bei 175 Prozent. Der Unterschied zeigt sich bereits mit bloßem Auge, weil die Gitteroberfläche nicht dunkel glänzt, sondern tiefschwarz und matt wirkt.

Mikroskopaufnahme in schwarz-weiß, zu sehen ist eine planares Gitter mit regelmäßigen, runden Löchern.
Metallgitter unter dem Mikroskop

Einfach und bis in Tapetengröße sollen sich PlaCSH-Solarzellen herstellen lassen, berichtet Chou. Er nutzte zum Herstellen des Gitters sogenanntes Nanodrucken, das wie beim Zeitungsdrucken hauchfeine Nanostrukturen günstig auf großer Fläche aufbringt. Mit diesem Ersatz für die teure und sehr brüchige ITO-Schicht und flexiblem Kunststoff als photovoltaisch aktive Schicht dürften künftige Solarzellen auch deutlich großflächiger, biegsamer und unempfindlicher werden. Nach Aussage der Forscher wäre für die Zwischenschicht vermutlich auch jedes nicht organische Halbleitermaterial – etwa Silizium oder Galliumarsenid – geeignet. Derzeit arbeiten sie allerdings noch am Optimieren ihres anorganischen „Solarsandwichs“, um die höchstmögliche Effizienz zu erzielen. Denn bisher sind organische Solarzellen zwar einfacher und günstiger herzustellen als Siliziumzellen, doch der Wirkungsgrad ist mit vier Prozent deutlch geringer als bei den herkömmlichen Zellen, die im Schnitt 20 Prozent erreichen.