Der Sonnen-Doppeldecker

Quantenpunkt-Solarzellen mit zwei Schichten versprechen einen hohen Wirkungsgrad zu günstigen Kosten. Ein Forscherteam an der University of Toronto entwickelt die Technologie gerade zur industriellen Reife.

Ein Wissenschaftlerteam an der University of Toronto hat eine neuartige Doppelschichtsolarzelle aus lichtabsorbierenden Nanopartikeln, den sogenannten Quantenpunkten, entwickelt. Quantenpunkte, die sich so konfigurieren lassen, dass sie einen frei wählbaren Teil des Sonnenspektrums absorbieren, gelten als vielversprechende neue Technik für kostengünstige Solarzellen. In der Herstellung lassen sich die Partikel ähnlich einfach auf Oberflächen aufbringen wie ein Farbstoff.

Das Problem: Bislang waren auf der Technik basierende Panel noch zu ineffizient, um in die Massenproduktion zu gehen. Die kanadischen Forscher hoffen nun, den Wirkungsgrad deutlich zu erhöhen, indem sie zwei Arten von Quantenpunkten in einer Zelle kombinieren.

Konventionelle Solarzellen sind so aufgebaut, dass sie nur Licht bestimmter Wellenlängen mit hoher Effizienz in Elektrizität umwandeln können. Der Rest des Sonnenspektrums verpufft entweder oder wird nur ineffizient genutzt. Um einen größeren Prozentsatz der Energie des Sonnenlichtes einzufangen, versuchen Hersteller unter anderem, verschiedene Materialien übereinander zu montieren, die unterschiedliche Bereiche des Spektrums abdecken. Eine Doppelschichtzelle könnte so zumindest theoretisch einen Wirkungsgrad von 42 Prozent erzielen, verglichen mit dem Maximalwert von 31 Prozent einer Einzelschichtzelle.

Quantenpunkte sind künstlich hergestellte, Nanometer-kleine Hableiterkristalle, deren optische und elektrische Eigenschaften stark von ihrer Größe abhängen. Die Forscher an der University of Toronto stellten ihre Quantenpunkte nun so her, dass die eine Schicht das sichtbare Licht einfängt, während die andere den Infrarotbereich abdeckt. Das Team entwickelte außerdem eine Methode, um den elektrischen Widerstand zwischen den Schichten zu reduzieren, ein Problem, dass den Energieoutput der Zweischichtkonfiguration derzeit noch hemmen kann. Dazu wird ein Übergangsbereich eingesetzt, der aus vier Dünnfilmschichten aus verschiedenen Metalloxiden besteht. "Der Widerstand bleibt so schön gering", sagt Ted Sargent, Professor für Elektro- und Computertechnik, der das Forschungsprojekt leitet. Die Metalloxide sind durchsichtig, damit das Licht von der oberen Schicht an die untere gelangen kann.

Das Ergebnis ist eine sogenannte Tandem-Junction-Zelle, die einen breiten Bereich des Spektrums abdeckt. Der aktuelle Prototyp erreicht allerdings bislang nur einen Wirkungsgrad von 4,2 Prozent. Sargent zufolge lässt sich dieser Wert mit Dreischicht- oder gar Vierschichtzellen jedoch deutlich erhöhen. Ziel der Forscher ist zunächst, innerhalb der nächsten fünf Jahre einen Wirkungsgrad von 10 Prozent zu erreichen und diesen dann kontinuierlich weiter zu steigern. Konventionelle Silizium-Solarpanels erreichen 15 Prozent Wirkungsgrad, doch Quantenpunkt-Zellen könnten allein wegen des einfacheren Herstellungsverfahrens die Nase in einigen Jahren vorne haben.

John Asbury, Professor für Chemie an der Penn State University, glaubt, dass der Ansatz sogar den theoretisch möglichen Wirkungsgrad erhöhen könnte. Angenommen, es gelingt, eine Vielzahl von Quantenpunktschichten zu einer Zelle zusammenzufassen, wären "vielleicht fast 50 Prozent" drin, meint der Forscher. Bis es soweit ist, müssen allerdings noch diverse grundlegende Probleme aus dem Weg geräumt werden.

Dazu gehören sogenannte Elektronenfallen, in denen die Elektronen innerhalb des Quantenpunktmaterials "hängenbleiben", also nicht in Strom umgewandelt werden können. "Das Problem dabei ist, dass es eine zu hohe Wahrscheinlichkeit gibt, dass Elektronen es nicht bis zu den Elektroden schaffen, wo sie eingesammelt werden. Auch das limitiert den Wirkungsgrad", sagt Asbury. Deshalb müssten zunächst Strategien her, die Elektronenfallen zu kontrollieren. (bsc)