Neuer Aufbau verspricht bessere Solarzellen

Spezielle Sauerstoff-Verbindungen stellen hohe Effizienz in Aussicht.

Ein internationales Forscherteam hat einen völlig neuen Ansatz für hocheffiziente Solarzellen vorgeschlagen. Sie setzen auf sogenannte geschichtete Sauerstoff-Heterostrukturen, um eine neue Klasse ultradünner Zellen zu bauen.

„Es ist ein ganz anderes Konzept als bei traditionellen Solarzellen“, meint Karsten Held, Professor am Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Vorteilhafte Materialeigenschaften beispielsweise für den Abtransport frei gewordener Ladungsträger sollen eine besonders hohe Effizienz ermöglichen.

Bislang haben die Forscher den Ansatz nur in Computersimulationen untersucht und können daher noch nicht exakt bewerten, wie hoch die Stromausbeute bei den neuen Zellen wirklich ausfällt. Das soll nun anhand von Prototypen getestet werden, die Kollegen an der Universität Würzburg und möglicherweise auch am amerikanischen Oak Ridge National Laboratory bauen werden.

Strom statt Verlust

Solarzellen beruhen auf dem photoelektrischen Effekt, bei dem ein Lichtteilchen ein Elektron aus einem Material löst. Sowohl das Elektron als auch das zurückbleibende, positiv geladene „Loch“ können zu einem Stromfluss beitragen. „Ein großes Problem bei Solarzellen ist, dass Elektron-Loch-Paare rekombinieren“, sagt Held.

Denn das mindert die mögliche Stromausbeute. Eben hier verspricht der neuartige Schichtaufbau Abhilfe. „Hier herrscht auf mikroskopischen Größenordnungen ein starkes elektrisches Feld, das Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen voneinander forttreibt“, erklärt TU-Wien-Mitarbeiter Elias Assmann.

Konkret ist der neue Ansatz, einzelne Atomlagen aus unterschiedlichen Sauerstoff-Verbindungen übereinander zu schichten. Dabei kommen nicht wie in Solarzellen üblich Halbleiter zum Einsatz, sondern Oxide, die eigentlich Isolatoren sind. Doch grenzen Schichten passender Verbindungen aneinander, entwickelt das Material an den Grenzflächen oben und unten metallische Eigenschaften und leitet somit gut Strom. Das hat zudem den Vorteil, dass im Gegensatz zu klassischen Silizium-Solarzellen außen keine Drähte angebracht werden müssen, die einen Teil der Zelle verdunkeln.

Gute Lichtabsorption

Ein weiterer Vorteil des neuen Materialansatzes ist, dass er potenziell viel Licht verwerten kann. Die für die aktuell in Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit analysierten Oxid-Schichten mit Lanthan und Vanadium passen dem Team zufolge besonders gut zur Strahlung der Sonne, die Absorption falle Held zufolge etwas günstiger aus als beispielsweise Silizium-Solarzellen.

Zudem sollte es gut möglich sein, verschiedene Schichttypen zu kombinieren, um effizient Strom aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu gewinnen und somit eine höhere Ausbeute zu erzielen – ähnlich, wie es schon heutige Mehrfach-Solarzellen machen.

Ob und wie schnell sich die neuen Zellen wirklich durchsetzen können, bleibt abzuwarten. „Die Produktion der Solarzellen aus Oxid-Schichten ist aufwendiger als bei herkömmlichen Solarzellen aus Silizium“, sagt Held.

Doch das Team ist zuversichtlich, dass der neue Ansatz in bestimmten Bereichen großes Potenzial hat, insbesondere, wo besonders dünne oder hocheffiziente Zellen – beispielsweise, wenn mit konzentriertem Sonnenlicht gearbeitet wird – erforderlich sind.

Quelle

pressetext 2013Thomas Pichler 2013