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Donnerstag, 23. November 2017, Ausgabe Nr. 47

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Photovoltaik

Nanostrukturen sorgen für höhere Effizienz

Von Ariane Rüdiger | 29. Mai 2015 | Ausgabe 22

In diversen Forschungsprojekten versuchen Wissenschaftler, durch den Einsatz nanotechnologischer Methoden Fortschritte in der Photovoltaik zu erzielen. Einige aktuelle Beispiele belegen, dass sich so z. B. der Wirkungsgrad steigern lässt, indem größere Teile des Lichtspektrums genutzt werden.

Solarzellen konventioneller Machart aus monokristallinem Silizium, wie sie heute installiert werden, erreichen einen Wirkungsgrad von rund 20 %. Andere Grundmaterialien, etwa polykristallines oder amorphes Silizium, die eine weniger reine Kristallstruktur besitzen, liegen weit darunter. Das theoretische Maximum bei Silizium liegt bei rund 33 %, da nur ein Teil des Lichtspektrums zur Energiegewinnung herangezogen werden kann. Wer mehr Ausbeute will, muss sich etwas einfallen lassen, z. B. um zusätzliche Spektralbereiche des Sonnenlichts nutzbar zu machen.

Werkstoff Silizium limitiert maximalen Wirkungsgrad

Mit diesem Thema beschäftigt sich beispielsweise Ralf Wehrspohn vom Institut für Physik der Martin-Luther-Universität in Halle-Wittenberg. Das von der Universität Halle koordinierte Verbundprojekt Infrasolar, finanziert mit 2,8 Mio. € und Ende 2014 abgeschlossen, setzte auf die energetische Ernte der Infrarotstrahlung, die etwa 20 % des Sonnenlichts ausmacht. Dafür wird das relativ langwellige Infrarotlicht in den sichtbaren Bereich konvertiert.

„Wir verwenden im Grunde dieselbe Basistechnologie wie Infrarotkameras oder Nachtsichtgeräte“, erklärt Wehrspohn. In eine Phosphor-Matrix werden dafür seltene Erden, zum Beispiel Erbium, eingebracht. Dafür verwendet das Team von Wehrspohn Puder aus den entsprechenden Materialien, in dem genau die richtige Menge der Stoffe vorhanden ist. „Mischen wir zu wenig seltene Erden bei, erzeugt das Material kein Licht, zu viel davon, und der Stoff metallisiert“, erklärt der Wissenschaftler. Die richtige Dotierung liege irgendwo zwischen 1 % und 10 %. Die Phosphor-Schicht, die die infrarote Strahlung im Verhältnis 2:1 in für Silizium nutzbare Wellenlängen transformiert, wird als Folie hinter die Solarzelle gelegt. Danach folgt eine spiegelnde Aluminiumschicht, die das Infrarotlicht, das die Solarzelle zuvor durchdrungen hat, in die Schicht aus Phosphor und seltenen Erden reflektiert und so ins Silizium zurückschickt.

Phosphorschichten konvertieren Infrarotanteile des Lichts in nutzbare Wellenlängenbereiche

Dort wird das Licht – nunmehr im richtigen Wellenlängenbereich – ebenfalls in Strom umgewandelt. „So müssen wir die bisherige Silizium-Solarzelle nicht verändern und können die Effizienz der Gesamtanordnung trotzdem auf bis zu 40 % heben“, sagt Wehrspohn. Ganz nebenbei entfällt die Erhitzung der Solarzellen durch ungenutztes Infrarotlicht, die heute in windgeschützten Lagen eine durchdachte Luftführung um die Solarmodule zu Kühlzwecken nötig macht.

Die Forschung wurde mit dem Projekt Infrasolar Ende 2014 abgeschlossen, dabei ist ein Einzellen-Prototyp entstanden. Nun müsste es an die Umsetzung des Laborverfahrens in die industrielle Produktion gehen. Doch bisher gibt es dafür keine Verbundförderung. So wird man wohl noch länger warten müssen, bis die neuen Zellen in großem Stil auf den Dächern zu finden sein werden.

Phosphorschichten sind allerdings nicht die einzige Alternative zur Erschließung neuer Wellenlängenbereiche: In Stanford forscht man beispielsweise an Schichten aus Perowskit (CaTiO3). Auf normale Siliziumschichten aufgebracht, sollen sie die Effizienz von Solarzellen über 50 % heben können.

Nanodrähte aus Silizium sollen die Energieausbeute erhöhen

Ein von Thomas Hannappel vom Institut für Physik der TU Ilmenau koordiniertes Projekt will das gleiche Ziel mit sogenannten Quantentopf- und Nanodrahtstrukturen erreichen. Eine Fläche mit hohlen Nanodrähten (s. Foto) aus photovoltaiktauglichen Materialien, die wie Grashalme nebeneinander auf einem Silizium-Substrat stehen, sollen die verfügbare Absorptionsfläche durch Hinzunahme der dritten Dimension vergrößern und die Sonnenenergie gleichzeitig mit hoher Effizienz konvertieren.

Foto: TU Ilmenau/Hannappel

Solche Teppiche aus Nanodrähten sollen mehr Energie aus dem Sonnenlicht holen

Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Nanodrähten sind dabei durch ein reflektierendes Material wie Zinkoxid gefüllt, das das Licht in den Draht zurückspiegelt. „Das Licht durchläuft die Nanodrähte also vielmals hintereinander und wird dabei sukzessive absorbiert“, sagt Hannappel. Das erhöhe die Ausbeute, zudem verkürzt sich der für die Elektronen bei der Stromerzeugung zurückzulegende Weg. Der produzierte Strom fließt in radialer Richtung entlang der Außenhaut der Nanodrähte ab. Das verringert das Risiko, dass Ladungsträger auf ihrem Weg verloren gehen.

In der Wand des Nanodrahts passieren die Photonen vier verschiedene stromerzeugende Schichten aus Tunneldioden, die neue Wellenlängenbereiche für die Energieerzeugung nutzen. Sie bestehen aus jeweils zwei hoch dotierten Schichten, einer positiv (p-) und einer negativ (n-) geladenen. Jede Schicht ist nur 10 nm bis 15 nm stark. Durch Sonnenlichtkonzentration kann die Effizienz noch weiter gesteigert werden.

Außerdem können sogenannte Quantentöpfe dafür sorgen, dass Licht niedrigerer Energie ebenfalls zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Dafür wird die Energie zweier Photonen über einen solchen Quantentopf zusammengeführt. Er dient praktisch als „Treppe“ für den Ladungsträger, der so Schritt für Schritt auf ein für die Stromerzeugung ausreichendes Energieniveau aufkonvertiert wird. Dieses Verfahren ist bisher konzeptionell realisiert und verspricht zusammen mit den anderen Methoden Erntefaktoren von bis zu 50 % auf der Zellebene.

Eine weitere Nanoanwendung zur Effizienzsteigerung in der Photovoltaik ist die Herstellung extrem schwarzer antireflektorischer Schichten, die kaum noch einen Sonnenstrahl reflektieren. An solchen Schichten hat das 2014 abgeschlossene Projekt NADNuM unter der Leitung von Reinhard Carius am Forschungszentrum Jülich gearbeitet. Die Schichten aus nanokristallinen Materialien sollen die Energieausbeute von Stapelzellen signifikant erhöhen. Sie sollen zudem dazu beitragen, die Dicke der übrigen Schichten verringern zu können.  

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