Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich haben die Entwicklung von Solarzellen aus Nanokristallen ein ganzes Stück weitergebracht. Sie haben erstmals ein allgemeines physikalisches Modell beschrieben, wie der Elektronenfluss in solchen Solarzellen verläuft.
Bessere optische Eigenschaften
Anders als die bisher verwendeten Halbleiter haben die aus Nanokristallen aufgebauten Substrate viel bessere optische Eigenschaften. Denn in ihnen kommen die quantenmechanischen Effekte zum Tragen, die bei größeren Zellen keine Rolle spielen. Zudem können die Zellen aus Nanokristallen einen viel größeren Anteil des Sonnenlichts nutzen, um Strom zu produzieren. Dadurch können die Substrate sehr dünn aufgetragen werden. Wenig Material bedeutet in der Massenfertigung auch einen Kostenvorteil. Dazu kommen noch die viel besseren Wirkungsgrade als sie die heutigen Solarzellen aufweisen. Dadurch sind die Nanokristallzellen sehr gute Kandidaten für die nächste Generation von Solarzellen.
Systematische Weiterentwicklung schwierig
„Allerdings bestehen die Nanokristallzellen aus einer Vielzahl unabhängiger Kristalle verbunden mit einem molekularen Bindemittel“, beschreibt Vanessa Wood das Problem. Sie ist Professorin für Materialien und Komponenten an der ETH Zürich. Unter ihrer Leitung entstand das jetzt veröffentlichte physikalische Modell des Elektronenflusses in Halbleitern aus Nanokristallen. Die Forscher wollten damit der Frage nachgehen, warum innerhalb des Materialgemischs aus Nanokristallen und Bindemittel die Elektronen noch nicht so gut fließen, wie das für kommerzielle Anwendungen nötig wäre. Die bisher produzierten Nanokristallzellen kamen trotz ihres großen Potenzials nicht über einen Wirkungsgrad von neuen Prozent hinaus. „Um an eine kommerzielle Anwendung denken zu können, ist ein Wirkungsgrad von mindestens 15 Prozent nötig“, erklärt Wood. „Bis jetzt ist die Physik des Ladungstransportes in Nanokristallkompositen noch nicht komplett verstanden, weshalb die systematische Weiterentwicklung von Nanokristallkompositen schwierig war“, bringt sie das Problem auf den Punkt.
Die Lücke ist gefüllt
Diese Lücke haben die Schweizer Forscher jetzt gefüllt. Sie haben in ihrem Labor in Zürich die Zellen selbst hergestellt und den Elektronenfluss genau beobachtet. Daraus konnten sie ein allgemein gültiges physikalisches Modell ableiten. „Unser Modell berücksichtigt die Auswirkung einer Änderung der Kristallgrösse, des Kristallmaterials oder des molekularen Bindemittels auf den Ladungstransport“, beschreibt Wood die Einflussfaktoren.
Die Größe zählt
So sind die physikalischen Eigenschaften der sehr kleinen Kristalle extrem von der Größe des Kristalls abhängig. Dies ist wiederum auf die Quanteneffekte zurückzuführen. Je größer die Zelle desto geringer ist der Einfluss dieser quantenmechanischen Effekte. Außerdem nutzen unterschiedlich große Kristalle des gleichen Materials verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums. Da die Forscher wiederum die Größe der Kristalle exakt steuern können, sind sie auch in der Lage, die Eigenschaften der Zellen zu beeinflussen. So können sie das Halbleitermatierial optimal auf die Nutzung in Solarzellen ausrichten. „So wird unser Modell künftig allen Wissenschaftlern des Forschungsfeldes erlauben, die physikalischen Vorgänge innerhalb von Nanokristallsolarzellen besser zu verstehen und die Solarzellen weiter zu optimieren“, freut sich Vanessa Wood. (Sven Ullrich)
