{"id":73195,"date":"2021-07-24T02:26:00","date_gmt":"2021-07-24T00:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=73195"},"modified":"2021-07-24T09:10:40","modified_gmt":"2021-07-24T07:10:40","slug":"solarzellen-drei-kristallschichten-erzeugen-tausendfache-power","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/solarzellen-drei-kristallschichten-erzeugen-tausendfache-power\/","title":{"rendered":"Solarzellen: Drei Kristallschichten erzeugen tausendfache Power"},"content":{"rendered":"\n

Der photovoltaische Effekt ferroelektrischer Kristalle in Solarzellen l\u00e4sst sich um den Faktor 1.000 erh\u00f6hen, wenn drei verschiedene Materialien in einem Gitter angeordnet werden. <\/p>\n\n\n\n

Das haben Forschende der Martin-Luther-Universit\u00e4t Halle-Wittenberg (MLU) in einer Studie gezeigt. Daf\u00fcr erzeugten sie kristalline Schichten aus Barium-, Strontium- und Calciumtitanat, die sie abwechselnd \u00fcbereinanderlegten. Die Ergebnisse, die zu einer deutlich h\u00f6heren Effizienz von Solarmodulen beitragen k\u00f6nnten, wurden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n\n\n\n

Aktuell basieren die meisten Solarzellen auf Silizium, doch ihr Wirkungsgrad ist begrenzt. Seit einigen Jahren wird deshalb an neuen Materialen geforscht, etwa an Ferroelektrika, wie Bariumtitanat, einem Mischoxid aus Barium und Titan. „Ferroelektrisch bedeutet, dass das Material r\u00e4umlich getrennte positive und negative Ladungen besitzt“, erkl\u00e4rt der Physiker Dr. Akash Bhatnagar vom Zentrum f\u00fcr Innovationskompetenz SiLi-nano der MLU. „Die Ladungstrennung f\u00fchrt zu einer asymmetrischen Struktur, die eine Stromerzeugung unter Licht erm\u00f6glicht.“ Im Gegensatz zu Silizium ben\u00f6tigen ferroelektrische Kristalle f\u00fcr den photovoltaischen Effekt keinen sogenannten pn-\u00dcbergang, also keine positiv und negativ dotierten Schichten, was die Herstellung von Solarmodulen wesentlich erleichtert.<\/p>\n\n\n\n

Reines Bariumtitanat absorbiert allerdings wenig Sonnenlicht und erzeugt demzufolge einen vergleichsweise geringen Lichtstrom. Die neuere Forschung hat jedoch gezeigt, dass die Kombination verschiedener Materialien in extrem d\u00fcnnen Schichten die Ausbeute der Sonnenenergie deutlich erh\u00f6ht. „Wichtig dabei ist, dass sich ein ferroelektrisches mit einem paraelektrischen Material abwechselt. Letzteres weist zwar keine getrennten Ladungen auf, kann unter bestimmten Bedingungen, etwa bei niedriger Temperatur oder leichten Modifikationen der chemischen Struktur, jedoch ferroelektrisch werden“, erkl\u00e4rt Bhatnagar.<\/p>\n\n\n\n

Die Forschungsgruppe von Bhatnagar hat nun herausgefunden, dass der photovoltaische Effekt nochmals deutlich verst\u00e4rkt wird, wenn sich die ferroelektrische Schicht nicht nur mit einer, sondern mit zwei verschiedenen paraelektrischen Schichten abwechselt. Yeseul Yun, Doktorandin an der MLU und Erst-Autorin der Studie, sagt: „Wir haben das Bariumtitanat zwischen Strontium- und Calciumtitanat eingebettet. Daf\u00fcr werden die Kristalle mit einem Hochleistungslaser verdampft und auf Tr\u00e4gersubstraten wieder abgelagert. Das so hergestellte Material besteht aus 500 Schichten und ist etwa 200 Nanometer dick.“<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr die photoelektrischen Messungen wurde das neue Material mit Laserlicht bestrahlt. Das Ergebnis \u00fcberraschte selbst die Forschungsgruppe: Im Vergleich zu reinem Bariumtitanat \u00e4hnlicher Dicke war der Stromfluss bis zu 1.000-mal st\u00e4rker – und das, obwohl der Anteil des Bariumtitanats als photoelektrische Hauptkomponente um fast zwei Drittel reduziert wurde. „Offenbar f\u00fchrt die Interaktion der Gitterschichten zu einer wesentlich h\u00f6heren Permittivit\u00e4t – also dazu, dass die Elektronen aufgrund der Anregung durch die Lichtphotonen deutlich leichter abflie\u00dfen k\u00f6nnen“, erkl\u00e4rt Akash Bhatnagar. Die Messungen haben obendrein gezeigt, dass dieser Effekt sehr robust ist: Er war \u00fcber einen Zeitraum von sechs Monaten nahezu konstant.<\/p>\n\n\n\n

Die weitere Forschung muss nun zeigen, welche Ursachen genau f\u00fcr den \u00fcberragenden photoelektrischen Effekt verantwortlich sind. Bhatnagar ist zuversichtlich, dass das demonstrierte Potenzial des neuen Konzepts f\u00fcr die praktische Anwendung in Solarmodulen genutzt werden kann: „Die Schichtstruktur zeigt in allen Temperaturbereichen eine h\u00f6here Ausbeute als ein reines Ferroelektrikum. Zudem sind die verwendeten Kristalle deutlich langlebiger und ben\u00f6tigen keine spezielle Verpackung.“<\/p>\n\n\n\n