Schwarzes Silizium: Bessere Solarzellen für Nordländer

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    Bei schrägem Lichteinfall erzeugen Zellen mit nanostrukturierter Oberfläche mehr Strom als konventionelle Module


    Solarkraftwerke erzeugen elektrischen Strom am effizientesten in südlichen Breiten mit hoch stehender Sonne. Doch mit einer nanostrukturierten Oberfläche lässt sich der Wirkungsgrad der Solarzellen aus dem kristallinen Halbleiter Silizium auch in nördlichen Regionen steigern. Finnische und spanische Wissenschaftler entwickelten dafür eine Zelle mit strukturierter, schwarz schimmernder Oberfläche, die selbst ohne zusätzliche Beschichtung kaum noch Sonnenlicht reflektiert. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, konnten sie die Verlustrate dieser Solarzellen deutlich reduzieren. Mit gut 22 Prozent Wirkungsgrad lieferten erste Prototypen bei flachem Lichteinfall drei Prozent mehr Strom als vergleichbare Solarzellen ohne nanostrukturierte Oberfläche.


    „Herkömmliche Antireflex-Beschichtungen sind für senkrechten Einfall des Sonnenlichts auf die Solarzelle optimiert“, sagt Hele Savin von der Aalta Universität in Espoo nahe Helsinki. Ohne eine teure Mechanik, mit der die Module dem Sonnenlauf folgen können, könnten diese Zellen nur für eine kurze Zeit des Tages ihre bestmögliche Stromausbeute liefern. Dagegen wandeln Solarzellen mit nanostrukturierter Oberfläche – wegen ihrer Farbe „Schwarzes Silizium“ genannt – selbst bei flachem Lichteinfall das Sonnenlicht noch effizient um.


    Dieser Vorteil von strukturierten Silizium-Oberflächen ist schon länger bekannt. Doch hatten diese Solarzellen bisher einen gravierenden Nachteil: Ihr Wirkungsgrad war mit deutlich unter 20 Prozent relativ gering, da sich die für die photovoltaische Stromerzeugung wichtigen Elektron-Loch-Paare zu schnell wieder vereinten. Diese sogenannte Rekombination verhinderten Savin und ihre Kollegen von der Universitat Politècnica de Catalunya in Barcelona mit einer hauchdünnen Schicht aus Aluminiumoxid. Dank dieser nur 20 Millionstel Millimeter dünnen Schicht auf den zahlreichen Zacken der nanostrukturierten Oberfläche blieben die Elektron-Loch-Paare länger erhalten und konnten für die Stromerzeugung bis zu den angeschlossenen Elektroden wandern.


    Um den Vorteil ihrer Solarzellen für nördliche Breiten zu belegen, verglichen die Forscher die Stromausbeute bei flachem Lichteinfall mit der herkömmlicher Solarmodule vergleichbarer Effizienz. Bei senkrechtem Lichteinfall lagen beide Zelltypen gleichauf. Doch traf das Sonnenlicht unter bis zu 60 Grad flacheren Winkeln auf, lieferten die Zellen aus Schwarzem Silizium bis zu drei Prozent mehr Solarstrom. Vorteilhaft wirkte sich dabei auch der Aufbau der gesamten Solarzelle aus, bei der beide Elektroden von der Unterseite an die photovoltaisch aktiven Schichten geführt wurden.


    Diese Arbeit, die teilweise vom deutschen Solarunternehmen SolarWorld unterstützt wurde, könnte zu Solarzellen führen, die besonders für Deutschland, Skandinavien und andere weit nördlich oder südlich vom Äquator gelegene Regionen optimiert wären. Da sie auch aus dem weltweit dominierenden Werkstoff – kristallines Silizium – bestehen, wäre eine günstige Massenfertigung möglich. Ausgehend von ihren ersten Studien wollen Savin und ihre Kollegen weitere Solarzellen mit nanostrukturierten, schwarzen Oberflächen entwickeln. Sie halten es für gut möglich, dass sich mit einem weiter optimierten Design der Solarzellen auch Wirkungsgrade deutlich über 23 Prozent erreichen ließen.

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