Nanopartikel versprechen bessere Energieausbeute

Mit Hilfe des Plasmonen-Effekts will eine australische Forscherin Dünnschicht-Solarzellen mit deutlich höherem Strom-Output schaffen.

Als Kylie Catchpole sich im Jahr 1995 dafür entschied, in das Forschungsfeld der Photovoltaik zu gehen, lag der Sektor noch im Tiefschlaf – grüne Energie, so schien es, war nur bedingt profitabel. "Damals dachte ich, es könnte sein, dass ich später ziemlich schlechte Jobchancen haben werde." Doch die Wahl der Physikerin zahlte sich später dann doch aus. Heute ist sie als Research Fellow an der Australian National University in Canberra beschäftigt und forscht an neuen, kostengünstigen Dünnfilm-Solarzellen, die einen deutlich höheren Wirkungsgrad versprechen. Die Nachfrage aus der Industrie ist groß.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Sonnenstrom-Elementen aus dicken und teuren Wafern, die aus kristallinem Silizium bestehen, lassen sich Dünnschicht-Zellen problemlos "von der Rolle" produzieren. Ganz ohne Nachteil geht das momentan allerdings nicht: Bislang setzen solche Komponenten nur 8 bis 12 Prozent des Lichtes in Elektrizität um, während traditionelle Kollektoren bis zu 19 Prozent erreichen. Aus diesem Grund sind größere Installationen notwendig, wenn ein Kunde die gleiche Energieausbeute der älteren Technik haben möchte.

Um das Problem zu lösen, setzt Catchpole auf den sogenannten Plasmonen-Effekt. Plasmonen sind Wellen, die sich durch die Elektronen auf der Oberfläche eines Metalls bewegen, wenn sie durch einfallendes Licht angeregt werden. Catchpole fand heraus, dass Silber-Nanopartikel auf der Oberfläche von Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium direktes Licht nicht mehr reflektieren. Stattdessen lenkten die Plasmonen auf der Oberfläche der Partikel im Versuch die Lichtphotonen ab, so dass sie innerhalb der Zelle verblieben, die dadurch mehr Wellenlängen absorbieren konnte.

Catchpoles Prototypen produzieren auf diese Art bis zu 30 Prozent mehr elektrischen Strom als konventionelle Dünnschicht-Solarzellen. Der Einsatz von amorphem Silizium hat dabei den Vorteil, dass es im Gegensatz zu anderen Materialien wie Tellur, aus dem bislang die meisten Dünnschicht-Kollektoren gebaut werden, in großen Mengen zur Verfügung steht. "Silizium ist der Weg der Zukunft." Die Dünnschicht-Technik an sich ist bereits begehrt: So plant der Solarriese First Solar eine Anlage im Gigawatt-Bereich. Catchpoles Technik könnte daher schon in einigen Jahren kommerzialisiert werden. Anfragen von verschiedenen Firmen liegen vor, allerdings will Catchpole ihre Technik zunächst weiter verfeinern. Kollegen von der Swinburne University of Technology in Melbourne arbeiten unterdessen mit dem Solarunternehmen Suntech Power ebenfalls an Zellen, die den Plasmonen-Effekt nutzen.

Catchpole glaubt, dass die ganze Solarbranche sich noch einmal neu erfinden könnte. Als die Forscherin 2002 noch an der University of New South Wales in Sydney mit der Arbeit begann, wollte sie Sonnenkollektoren grundlegend neu aufbauen. "Es war ein Fall von "Fang ganz von vorne an" – gibt es einen vollständig neuen Weg, Solarzellen zu entwickeln?" Dabei sei sie auf die merkwürdigen wie interessanten optischen Eigenschaften bestimmter Metalle gestoßen. (bsc)