Auge als Vorbild 27.02.2015, 11:03 Uhr

Mikroskopische Trichterstruktur erhöht Effizienz von Solarzellen

Deutsche Wissenschaftler haben es geschafft, den Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen auf Siliziumbasis deutlich zu verbessern – nach dem Vorbild des Auges. Sie ätzten mikroskopisch kleinen Trichter dicht an dicht in die Siliziumschicht und erreichten damit, dass die Zellen 65 Prozent mehr Licht absorbieren.

Die Forscher ätzten nur zwei Mikrometer lange Trichter in das Silizium-Substrat. Das Ergebnis: Der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht sich, sie absorbiert 65 Prozent mehr Licht. 

Die Forscher ätzten nur zwei Mikrometer lange Trichter in das Silizium-Substrat. Das Ergebnis: Der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht sich, sie absorbiert 65 Prozent mehr Licht. 

Foto: S. Schmitt/MPL

Ein maximal scharfes Bild liefert uns ein ganz kleiner Bereich im Auge: die Fovea Centralis. Dort, in der so genannten Sehgrube mitten im Gelben Fleck der Netzhaut, sind die trichterartigen Farb-Sehzapfen ganz besonders dicht gepackt. Diese auffällige Struktur hat ein Team um Prof. Silke Christiansen vom Helmholtz-Zentrum Berlin, Leiterin des Instituts für Nanoarchitekturen für die Energiewandlung, auf die Idee gebracht, ein anorganisches Pendant für den Einsatz in Solarzellen zu entwerfen.

In einem herkömmlichen Verfahren ätzte eine Arbeitsgruppe am Max Planck Institut für die Physik des Lichts (MLP) in Erlangen unter der Leitung von Christiansen mikroskopische kleine, nur zwei Mikrometer lange Trichter dicht an dicht ins Silizium-Substrat und untersuchte die so strukturierte Oberfläche auf ihre lichtsammelnde und -leitende Wirkung. Und siehe da: Im Vergleich zu einem gleich dicken Siliziumfilm absorbiert die Trichterstruktur 65 Prozent mehr Licht, was den Wirkungsgrad der Solarzelle deutlich erhöht. Sie liefert also mehr Strom als eine herkömmliche Dünnschichtsolarzelle auf Siliziumbasis.

Effektiver als andere optische Architekturen

„Wir haben in dieser Arbeit gezeigt, dass die Lichttrichter deutlich mehr Licht absorbieren als andere optische Architekturen, die in letzter Zeit getestet wurden“, sagt Sebastian Schmitt vom MPL. Schmitt hat als einer der beiden Erstautoren die Forschungsergebnisse im renommierten Journal  Nature Scientific Reports veröffentlicht.

Die Forscher halten es für denkbar, mit Kooperationspartnern in die Produktion großflächiger Solarzellen zu gehen, die mit der neuen Trichteroberfläche ausgestattet sind. Bis dahin können aber noch Jahre vergehen. 

Die Forscher halten es für denkbar, mit Kooperationspartnern in die Produktion großflächiger Solarzellen zu gehen, die mit der neuen Trichteroberfläche ausgestattet sind. Bis dahin können aber noch Jahre vergehen. 

Foto: dpa/Jan Woitas

Status Quo der Forschung war bislang, dass eine Art Silizium-Teppich mit säulenartigen, mikrometerfeinen Nanodrähten das Licht am effektivsten absorbiert. Wie sich im Experiment und den Modellrechnungen seines Teams herausstellte, verstärkt aber schon eine geringe Abweichung von der Säulenform hin zum Trichter die Absorption. Die Form der Nanostrukturen wirkt sich also auf die Lichtkonzentration aus: Je spitzer der Trichter zuläuft, desto stärker ist auch das Licht konzentriert.

Mehr Energieausbeute – weniger Materialverbrauch

Dabei spart die innovative Oberfläche auch noch Material: Für optimierte Nanodraht-Felder mit der gleichen Dicke wird im Vergleich zu Trichter-Feldern mehr als doppelt so viel Silizium benötigt. Auf den Punkt gebracht heißt das: Mehr Energie bei weniger Material.

Obendrein lässt sich die Trichterstruktur mit herkömmlichen halbleitertechnologischen Verfahren wie mit dem reaktiven Ionenätzen oder nasschemischen Ätzprozessen herstellen. Für ihr Experiment ätzten die Wissenschaftler die mikrometerfeinen, vertikalen Trichter dicht an dicht in ein Silizium-Substrat. Das Verfahren nennt sich Nanosphere-Lithografie, weil eine Monolage aus dicht gepackten Nanokugeln dabei als Maske dient.

Denkbar wäre nun, mit Kooperationspartnern in die Entwicklung und Produktion großflächiger Solarzellen zu gehen, die mit der innovativen Trichteroberfläche ausgestattet werden. Bis entsprechende Produkte auf den Markt kämen, würden jedoch noch Jahre vergehen. Wie das Hemholtz-Zentrum informiert, dienen die Ergebnisse der Arbeitsgruppe vor allem der weiteren Forschung. So sei daran gedacht, eine Solarzelle zu entwickeln, die selbst die Form eines Trichters hat. Sebastian Schmitt arbeitet auch an der Nutzung der Trichter für weitere photonische Anwendungen in LEDs und sensorischen Bauelementen.

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