Forscher des California Institute of Technology (Caltech) haben flexible Solarzellen aus einer in transparentes Polymer eingebetteten Siliziumdraht-Matrix hergestellt.
Sie benötigt nur 1/50 des teuren Siliziums normaler Solarzellen und zeichnet sich durch eine hohe Lichtabsorption sowie photoelektrische Effizienz aus.
Die Herstellung der Solarzellen hatten die Forscher zwar bereits zuvor demonstriert, die hohe Effizienz konnten sie aber erst jetzt nachweisen. Die Absorptionsrate des gesamten einfallenden Lichts beträgt 85 Prozent, bei einer einzelnen Wellenlänge sind es sogar 96 Prozent. Von den eingefangenen Photonen werden wiederum zwischen 90 und 100 Prozent in Strom umgewandelt.
Für diese hohe Effizienz sind mehrere Faktoren verantwortlich: Einerseits ist jeder der im
VLS-Verfahren hergestellten, 30 bis 100 Micron langen und einen Micron dicken Siliziumdrähte für sich bereits eine effiziente Solarzelle. Durch die spezielle Anordnung der Drähte wird die Absorptionsrate andererseits aber nochmals deutlich erhöht, da die Drähte das von anderen Drähten gestreute Licht absorbieren können.
Nochmals verstärkt werden die Reflexionen innerhalb der Zelle durch in das Polymer eingebrachte Aluminiumpartikel und eine spiegelnde Schicht an der Unterseite. Dabei nehmen die Drähte nur zwei bis zehn Prozent der Oberfläche sowie lediglich zwei Prozent des Volumens der Zelle ein.
Das Polymer – Polydimethylsiloxan (PDMS) – ist auch für die Flexibilität verantwortlich und erlaubt zudem die Herstellung in einem im Vergleich zu Wafern bei herkömmlichen Solarzellen deutlich günstigeren Roll-to-Roll-Prozess.
Mit in einem Trägermaterial aus Kunststoff (Polymersubstrat) reihenweise angeordneten Siliziumdrähten hat ein Forscherteam des California Institute of Technology (Caltech; Pasadena, Kalifornien) eine neue Art flexibler Solarzellen entwickelt. Laut einer Pressemitteilung können diese Zellen die Aufnahme des Sonnenlichts verstärken, Photonen effizient in Elektronen umwandeln und auf diese Weise Solarstrom erzeugen. Diese Solarzellen sollen mit einem Bruchteil des teuren Rohmaterials Silizium auskommen, das als Ausgangsstoff in herkömmlichen Photovoltaik-Zellen Verwendung findet. "Diese Solarzellen können erstmalig die aufgrund von Lichtfallen auftretende Grenze für absorbierende Materialien überwinden", sagte Harry Altwater, Howard Hughes Professor für angewandte Physik und Materialforschung und Direktor des Resnick-Instituts von Caltech, das sich auf Nachhaltigkeitsforschung konzentriert. Die Lichtfallen-Grenze von Materialien bezeichnet deren Fähgikeit, Sonnenlicht aufzunehmen. Die Silizumdraht-Reihen sollen bei bestimmten Wellenlängen bis zu 96 % des einfallenden Sonnenlichts absorbieren und 85 % des insgesamt aufnahmefähigen Lichts. "Wir haben bereits existierende optische Mikrostrukturen zur Lichternte übertroffen", betont Professor Atwater.
Hohe Absorption und photovoltaischer Wirkungsgrad ermöglichen Produktion qualitativ hochwertiger SolarzellenAtwater und seine Kollegen, zu denen Nathan Lewis, George L. Argyros, Professor und Chemieprofessor von Caltech, und der Student im Aufbaustudium Michael Kelzenberg zählen, präsentierten die Leistung ihrer Erfindung in einem am 14.02.2010 in der Internetausgabe des "Nature Materials"-Journals veröffentlichten Artikel. Atwater betonte, dass die erhöhte Absorption zur Stromerzeugung genutzt werden kann. "Viele Materialien, wie zum Beispiel schwarze Farbe, können Licht gut aufnehmen, aber keinen Strom produzieren", sagte Atwater. "Bei Solarzellen ist es am wichtigsten, dass das absorbierte Licht auch in elektrische Ladung umgewandelt wird". Laut Pressemitteilung können die von Atwater und seinen Kollegen entwickelten Siliziumdraht-Reihen 90 bis 100 % der aufgenommenen Photonen in Elektronen umwandeln. Technisch ausgedrückt bedeute dies einen nahezu perfekten internen Wirkungsgrad. "Überragende Absorption und ein guter Wirkungsgrad erlaubt die Herstellung einer qualitativ hochwertigen Solarzelle", sagte Atwater. "Dies ist ein bedeutender Fortschritt".
Siliziumdrähte nehmen Licht auf und reflektieren es, um die Absorption zu steigernDer Schlüssel für den Erfolg dieser Solarzellen sind die Siliziumdrähte, die als unabhängige, hoch effiziente Solarzellen verstanden werden können. In Reihe geschaltet ermöglichen sie einen noch höheren Wirkungsgrad, weil sie im Zusammenspiel die gesamte Absorptionsfähigkeit der Zelle erhöhen. "Das Licht trifft auf jeden Draht, und ein Teil davon wird aufgenommen, ein anderer wird reflektiert. Das Zusammenspiel aller dieser Reflexionen zwischen den Drähten macht die Drähte sehr aufnahmefähig", erklärte Atwater. Dieser Effekt zeige sich trotz der relativen breiten Streuung der Drähte in dem Raster, die nur zwischen 2 und 10 % der Zelloberfläche ausmachen. "Als wir erstmals Siliziumdraht-Solarzellen in Erwägung zogen, gingen wir davon aus, dass das Sonnenlicht zwischen den Drähten verloren geht", erklärte Kelzenberg. "Unser ursprünglicher Plan war also, die Drähte so dicht wie möglich zu züchten. Als wir dann aber ihre Absorptionsfähigkeit gemessen haben, stellten wir fest, dass mehr Licht aufgenommen wurde als im Hinblick auf die Dichte der Drähte erwartet. Indem wir Lichtfallen für relativ breit gestreute Drähte entwickelten, konnten wir nicht nur eine annehmbare Absorption erreichen, sondern auch die effektive optische Konzentration aufzeigen. Dies ist ein interessanter Gesichtspunkt für eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads von Siliziumdraht-Solarzellen".
Solarzellen bestehen aus 2 % Silizum und 98 % KunststoffJeder Siliziumdraht ist zwischen 30 und 100 Mikrometer lang und hat einen Durchmesser von nur einem Mikrometer. "Die gesamte Dicke der Drahtreihen entspricht somit die Länge der Drähte", sagte Atwater. "Doch was die Oberfläche und das Volumen der Zelle betrifft, macht Silizium nur 2 % der Zelle aus, 98 % davon besteht aus Polymeren". Das bedeute, dass die neuen Zellen so dick seien wie herkömmliche kristalliner Solarzellen, ihr Volumen aber einem nur zwei Mikrometer dünnen Film entspreche. Silizium sei ein relativ teures Rohmaterial für herkömmliche Solarzellen, weshalb eine Zelle, die nur ein fünfzigstel dieses Halbleiters benötige, relativ günstig hergestellt werden könnte. Die Struktur der neuen Solarzellen bedingt laut Atwater, dass sie flexibel sind. Derartig flexible Dünnschicht-Filme können laut Pressemitteilung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gefertigt werden, das heißt, in einem kostengünstigeren Prozess als jenem für herkömmliche Solarzellen.
Forschung an größeren Solarzellen hat begonnenLaut Atwater ist der nächste Schritt die Erhöhung von Spannung und Oberfläche der Solarzellen. "Unsere Zellstrukturen haben nur eine Fläche von einigen Quadratzentimetern", erklärte er. "Wir versuchen gerade, Solarzellen mit einer Oberfläche von hunderten Quadratzentimetern herzustellen, was der normalen Zellgröße entspricht". Atwater sagte, sein Team habe bereits damit begonnen zu zeigen, dass große Zellen genauso wie die kleineren Versionen funktionieren. Zusätzlich zu Atwater, Lewis und Kelzenberg waren Shannon Boettcher, Joshua Spurgeon, Jan Petykiewicz, Daniel Turner-Evans, Morgan Putnam, Emily Warren, und Ryan Briggs Mitautoren des Nature Materials-Artikels "Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications". Die Forschung wurde von BP und dem 'Energy Frontier Research Center'-Programm des US-Energieministeriums gefördert.
Quelle: California Institute of Technology (Caltech)
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