Forscher im Verbundprojekt Nano-III-V-Pins haben die Effizienz von Einfachsolarzellen auf fast 45 Prozent getrieben. Dazu haben sie auf den Siliziumsubstraten sogenannte Quantentöpfe aufgebracht. Das sind dünnste Schichten aus III-V-Halbleitern, die durch ihre ganz speziellen elektronischen Eigenschaften die bessere Ausnutzung des Sonnenlichts ermöglichen. Durch das Quantentopfsystem kann ein größeres Spektrum des einfallenden Sonnenlichts zur Stromproduktion genutzt werden. Damit lösen sie ein Problem, das konventionellen Solarzellen mit nur einem p-n-Übergang eigen ist: Sie können nur einen bestimmten Teil des Sonnenlichts absorbieren. Welchen Teil des Lichts sie zur Stromproduktion verwenden, ist dabei von der Bandlücke des Halbleiters abhängig. Ist die Bandlücke klein, kann auch energiearmes langwelliges Licht Elektronen aus dem Halbleier lösen. Diese haben allerdings ebenfalls nur wenig Energie und der größte Teil von ihnen rekombiniert innerhalb eines Sekundenbruchteils. Energiereiches kurzwelliges Licht kann hingegen Elektronen aus Halbleitern mit einer größeren Bandlücke herauslösen. Die Elektronen haben eine hohe Energie und schaffen es bis zur Elektrode, ohne unterwegs mit den positiven Ladungen im Halbleiter zu rekombinieren. Da aber nur ein enges Lichtspektrum genutzt wird, bleibt die Ausbeute an Elektronen gering. Beide Effekte führen dazu, dass der britischen Forscher William Bradford Shockley und sein deutscher Kollege Hans-Joachim Queisser die maximale Effizienz von Einfachsolarzellen auf 31 Prozent datierten. Mit den Nanostrukturen kann dieses Dilemma aufgelöst werden, da dadurch sowohl kurz- als auch langwelliges Licht gleichzeitig genutzt wird.
Tuning für die Zelle
Diesen Tuningeffekt haben die Forscher jetzt erstmals mit nanoskaligen Solarzellen nachgewiesen, bei denen die Quantentopfstruktur in einem zweidmensionalen Schichtsystem realisiert wurde. „Mit Nanotechnik kann ein größerer Teil des solaren Spektrums kostengünstig in Elektrizität umgewandelt werden“, erklärt Thomas Hannappel von der Technischen Ilmenau, der das Projekt koordinierte. „Quantentopfsysteme könnten sich in Zukunft den gegenwärtig effizientesten Solarzellen als ebenbürtig erweisen. Durch eine Übertragung auf radiale Nanodrahtstrukturen verkürzen sich zudem die Transportwege in der Solarzelle, so dass sich Verluste weiter verringern lassen. Theoretisch sind damit Wirkungsgrade über dem sogenannten Shockley-Queisser-Limit von 30 Prozent zu erreichen.“ Schließlich müssen die Ergebnisse der Forscher auch in den Herstellungsprozess übertragen werden.
Effizienz von Einfachsolarzellen erhöhen
Das Projekt gehört zu den Grundlagenforschungsvorhaben der Innovationsallianz Photovoltaik. Bahnbrechend könnten die Ergebnisse der Forscher sein. Denn erstmals wäre es mit Einzelzellen möglich, die berühmte Shockley-Queisser-Grenze zu durchbrechen. Das Ziel des Projektes war es, die Effizienz von Einfachzellen zu übertreffen, ohne dabei auf die in den gängigen Hochleistungssolarzellen verwendeten konventionellen Mehrfachzellen zurückgreifen zu müssen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass Nanodrähte verwendet werden können, die bei hoher Absorption des Lichts kurze Transportwege für die Ladungsträger sicherstellen und somit Verluste in der Zelle minimieren. „Die Nanodrähte bieten gegenüber planaren Strukturen viele Vorteile: Die Materialqualität muss weniger stringent sein, hohe Wachstumsraten sind machbar und der Materialeinsatz geringer. Insgesamt verspricht dieser Ansatz eine gewaltige Kostenreduktion gegenüber konventionellen Hochleistungssolarzellen, betonen die Forscher.
An dem Projekt unter Leitung der Technischen Universität im thüringischen Ilmenau sind die Humboldt Universität Berlin, die Technische Universität Berlin, die Universität Duisburg-Essen, das Helmholtz-Zentrum Berlin, das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik in Erfurt sowie der deutsch-französische Anbieter von Konzentratorsystemen Azur Space beteiligt. (Sven Ullrich)
