Sonnige Zukunft für Silizium-Mikrodrähte

Kalifornische Forscher entwickeln eine weitere Alternative zu herkömmlichen Solarzellen.

Das Rennen um kostengünstige Sonnenkollektoren mit hoher Energieausbeute geht weiter: Forscher in aller Welt suchen nach alternativen Technologien für herkömmliche Solarzellen. Einer der jüngsten Mitspieler auf dem Gebiet sind sogenannte Silizium-Mikrodrähte, ultradünne Bauelemente, die sich dem Sonnenlicht entgegenstrecken.

Konnte man damit bislang im Labor nur einen geringen Wirkungsgrad erzielen, haben kalifornische Forscher diesen nun verdoppelt. "Die Drähte hatten bisher innerhalb eines Arrays stets eine Wandlungseffizienz von einem bis zwei Prozent. Es war grundsätzlich fraglich, ob hier noch mehr gehen würde", sagt Nathan Lewis, Chemiker am California Institute of Technology (Caltech), der gerade einen neuen Herstellungsprozess für Mikrodrähte entwickelt hat. "Wir haben nun erstmals drei Prozent Wirkungsgrad demonstriert. Außerdem spricht nichts dagegen, dass wir über zehn Prozent erreichen könnten."

Silizium-Mikrodrähte, die einen etwas größeren Durchmesser als Nanodrähte besitzen, werden auf einem Silizium-Substrat gezüchtet – bisher mit Hilfe klitzekleiner Goldtröpfchen. Unter hohen Temperaturen sprießen die Drähte dabei wie Grashalme. Das Gold ist dabei zwar ein exzellenter Katalysator, führt aber auch zu Unreinheiten, die den Elektronentransport innerhalb der Drähte hemmen und die Gesamteffizienz senken können.

Lewis und seine Kollegen nutzen deshalb Kupfer als Katalysator. Damit erreichten sie einen ungefähr doppelt so hohen Wirkungsgrad auf Array-Größe. Der Grund dürfte in einer so erreichbaren höheren Siliziumreinheit und der damit verbundenen besseren Transportkapazität für Elektronen zu finden sein.

In ihrer Proof-of-Concept-Studie hielten die Forscher den sogenannten Packing-Anteil ihres Solarzellen-Arrays bei vier Prozent. Dieser Messwert besagt, wie viel einer Fläche von Mikrodrähten bedeckt ist – in diesem Fall hieß das, dass 96 Prozent der Oberfläche leer blieben, dort also kein Sonnenlicht eingefangen und umgewandelt werden konnte. Lewis zufolge lässt sich allein durch Erhöhung des Packing-Anteils auf 15 bis 20 Prozent der Wirkungsgrad vervierfachen.

Einige Forscherkollegen zweifeln allerdings daran, dass das so einfach wird. "Wenn es so leicht ist, warum haben sie es dann nicht einfach getan?", fragt Ray LaPierre, Physiker an der McMaster University im kanadischen Ontario. LaPierre meint, die Erhöhung des Packing-Anteils sei wohl nur durch Techniken aus der Photolithographie umsetzbar und die für den kommerziellen Solarzellenbau schlicht viel zu teuer.

Ein weiteres Problem könnte in der Kapazität der Drähte liegen, Elektronen zu transportieren. Sie verfangen sich leicht auf ihrer Oberfläche, was den Gesamtwirkungsgrad verringert. Bei Dünnfilm-Solarzellen kennt man dieses Phänomen zwar auch, doch bei Mikrodrähten ist es noch akuter, weil sie eine wesentlich größere Oberfläche pro Volumeneinheit besitzen.

Die Drähte, die Lewis und Kollegen wachsen ließen, haben einen Durchmesser von 1,6 Mikrometern, drei Zehnerpotenzen dicker als typische Solarzellen-Nanodrähte. Dadurch ergibt sich ein geringeres Verhältnis von Oberfläche zum Volumen, was laut Computermodellen der Caltech-Forscher die Leitfähigkeit steigert.

Matthew Beard, leitender Wissenschaftler am US-Nationallabor für erneuerbare Energien in Colorado, glaubt, dass die relativ große Oberfläche der Drähte etwa bei der Umwandlung von Sonnenkraft in Wasserstoff positiv sein könnte. In Verbindung mit dem kostengünstigen Rohstoff Silizium sei sogar eine direkte Nutzung als Elektroden zur Hydrolyse denkbar.

Trotzdem dürften es die Mikrodrähte auf dem umkämpften Solarmarkt nicht leicht haben. Andere Technologien wie die relativ günstigen Dünnfilmmaterialien erreichen bereits 10 bis 12 Prozent Wirkungsgrad. Allerdings sei das dabei verwendete Ausgangsmaterial, Metalle wie Kadmium und Tellurid, seltener als das überall verfügbare Silizium, meint Beard. "Die Technologie braucht noch eine ganze Weile, könnte aber wettbewerbsfähig werden, wenn die anderen Rohstoffe knapp sind." (bsc)