Strom aus der Solarmatte

Ein Gemisch aus Mikrodrähten und Nanopartikeln in einer Polymerschicht könnte billige Solarzellen ermöglichen, die so effizient sind wie die derzeit besten Solarmodule.

Große Hoffnungen ruhen auf verbesserten, billigeren Solarzellen – umso mehr, wenn sie auch noch biegsam sind und sich vielfältiger als bisher einsetzen lassen. Eine Gruppe um den Physiker Harry Atwater am California Institute of Technology (Caltech) hat ein Material entwickelt, das ein Kandidat für eine solche Allround-Zelle sein könnte: Es besteht aus Silizium-Mikrodrähten und Nanopartikeln, die in ein Polymer eingebettet sind.

Nach Modellrechnungen der Forscher könnte das Gemisch einen Wirkungsgrad von 15 bis 20 Prozent erreichen und damit so viel Sonnenlicht in Strom umwandeln wie die derzeit besten Solarmodule. Großer Vorteil: Die neuen Zellen bräuchten dafür nur ein Prozent der Silizium-Menge, die heute nötig ist. Das könnte die Herstellungskosten drastisch senken.

Der Grund für die erstaunliche Effizienz des Materials ist seine Eigenschaft, möglichst viel Sonnenlicht einzufangen. Je mehr Photonen in den aktiven Teil einer Solarzelle gelangen, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie schließlich Elektronen anregen und damit Strom erzeugen. Heutige Hochleistungszellen steigern ihre Lichtausbeute vor allem mit Hilfe von Beschichtungen, die die Reflexion von Photonen an der Oberfläche verringern.

„Der Gedanke hinter neuen Lichtsammelverfahren war immer, dass dadurch Silizium eingespart werden kann“, sagt Eli Yablanovitch, Elektroingenieur an der Universität Berkeley. Weniger Material bedeute weniger Kosten. Viele Forschungsgruppen experimentieren deshalb mit Nano- und Mikrodrähten, um die Gesamtoberfläche der Zelle, die Licht einfängt, zu erhöhen. Das macht auch die Caltech-Gruppe – aber sie fügt noch Nanopartikel hinzu, die den Lichteinfall zwischen den Drähten verstärken.

Die Silizium-Mikrodrähte wachsen zunächst mittels Dampfablagerung auf einem wiederverwendbaren Untergrund auf. Von dessen Beschaffenheit hängt ab, wie hoch und wie dick die Drähte werden. Für sich genommen hätte dieser Silizium-Wald einen schlechten Wirkungsgrad.

Die Caltech-Wissenschaftler überziehen die Drähte jedoch mit einer Antireflex-Beschichtung und und tragen dann ein flüssiges Polyer auf, in dem sich Nanopartikel aus Aluminiumoxid befinden (siehe Grafik).Das Polymer erstarrt und nimmt schließlich eine gummiartige Konsistenz an. Dadurch lässt sich das Gemisch mitsamt den Siliziumdrähten wie ein Aufkleber vom Untergrund abziehen. Dieses Verfahren hat zwei Vorteile: Das photovoltaische Material besteht zu 90 Prozent aus dem billigen Polymer, und der Untergrund kann für den nächsten Produktionsdurchgang wieder verwendet werden.

„Das Material ist biegsam, hat aber die Eigenschaften eines Silizium-Wafers“, sagt Harry Atwater. Trifft Licht auf die „Solarmatte“, wird es von den Nanopartikeln solange durch den Drahtwald geschickt, bis es vom Silizium absorbiert wird.

Zwar haben Atwater und seine Kollegen noch keinen Zell-Prototypen daraus gefertigt. Aber das Gemisch weist laut Atwater gute Werte für die Absorption von Licht und die Mobilisierung von Elektronen auf: 85 Prozent aller eintreffenden Photonen landeten in den Silizium-Drähten; davon setzten 95 Prozent ein Elektron in Bewegung. Die Frage ist allerdings, wieviele Elektronen am Ende einen verwertbaren Strom produzieren. Die Caltech-Gruppe will hier noch keine Details nennen, weil die Arbeit noch nicht publiziert ist.

„Weil man viel weniger Silizium für die Ablagerung braucht, verkürzt sich die Fertigungsstraße“, fügt Yi Cui, Materialwissenschaftler an der Stanford University, hinzu. Das bedeutet zum einen, dass weniger Investitionen in Fertigungsanlagen nötig sind. Zum anderen könnte das Solarmatten-Material auch das Tempo der Fertigung erhöhen. Auch wenn der Ansatz neu sei, baue er auf bekannten Verfahren auf, die sich hochskalieren lassen, versichert Harry Atwater.

Bislang hat die Caltech-Gruppe ihre Erkenntnisse aus einem wenige Quadratzentimeter großen Stück des Materialgemischs gewonnen. Nun will sie daraus einen größeren Prototypen von einigen hundert Quadratzentimetern herstellen. „Was jetzt kommt, ist stinknormale Ingenieursarbeit, zum Beispiel elektrische Kontakte zu bauen, die möglichst wenig Widerstand haben“, sagt Atwater.
(nbo)