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17.08.2011

Mehr Ertrag bei der Sonnenernte

Solarzellen wandeln bisher nur wenig Licht in Strom um.

Neue Nanomaterialien sollen die Ausbeute deutlich erhöhen. Auch an der Erzeugung von Wasserstoff direkt aus Sonnenlicht arbeiten die Nanoforscher der ETH Zürich.

Die Photovoltaik boomt. Immer mehr Solarmodule schimmern auf Dächern, wo sie aus Sonnenlicht Strom erzeugen. Leider sind sie dabei nicht sehr effektiv. Deutlich unter 20 Prozent des Sonnenlichts wandeln handelsübliche Solarzellen in elektrische Energie um, auch wenn in Labors schon Wirkungsgrade jenseits der 30 Prozent erreicht wurden.

Forscher in aller Welt arbeiten deshalb unter Hochdruck an Konzepten, die Stromausbeute zu erhöhen. Eine Schlüsseltechnologie könnte dabei die Nanotechnologie spielen. Die Idee: Mit winzigen Strukturen, deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts, lässt sich die Umwandlung gezielt beeinflussen. Gleich mehrere Wissenschaftler an der ETH Zürich beschäftigen sich mit solchen Konzepten.

Heisse Elektronen

Einer von ihnen ist David Norris, Professor am Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik. Der Chemiker kam im März 2010 an die ETH, zuvor arbeitete er an der Universität von Minnesota. Mit seinem Team dort hatte er im vergangenen Jahr eine vielbeachtete Arbeit im renommierten Wissenschaftsmagazin «Science» veröffentlicht. Darin beschäftigt sich Norris mit sogenannten heissen Elektronen.

Trifft Sonnenlicht auf das Halbleitermaterial, entstehen Ladungsträger – je mehr umso besser, denn dann fliesst ein stärkerer Strom.

Das klappt aber nur besonders effektiv mit Licht passender Wellenlänge. Solarzellen erzielen nämlich ihre beste Ausbeute bei Wellenlängen um 1000 Nanometer, also mit infrarotem Licht. Ist die Wellenlänge kürzer, wie zum Beispiel beim Tageslicht, entstehen zwar auch Elektronen, doch die haben eine Extraportion Energie, sind also "heiss", wie die Physiker sagen.

Das ist schlecht, denn die Ladungsträger kühlen sich innerhalb von wenigen Billionstelsekunden ab und heizen mit ihrer überschüssigen Energie das Solarmodul auf. Das drückt den Wirkungsgrad merklich.

Mit Norris’ Methode lassen sich die Elektronen so lange heiss halten, bis sie über das Leitungsgitter die Solarzelle verlassen haben. Dazu nutzte das Team Nanostrukturen aus Bleiselenid in Kombination mit einer Schicht aus Titandioxid. Dieser Trick vergrössert die energetische Bandlücke, die ein Ladungsträger im Halbleitermaterial überspringen muss. Durch die grössere Lücke werden die Elektronen quasi gezwungen, ihre Energie zu behalten, weil sie sonst die Barriere nicht überwinden können.

Die Hot-Silizium-Solarzelle wäre die ultimative Solarzelle. "66 Prozent Wirkungsgrad ist das theoretische Limit", sagt David Norris.

Den Artikel können Sie hier weiterlesen

und finden ihn ausführlich im ETH GLOBE | Nr. 2/Juni 2011 | Seite 22

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Quelle   ETH Zürich 2011