Schweizer Forscher arbeiten an Nanokristall-Solarzellen

Zürich - Für die nächste Generation von Solarzellen stehen bei Wissenschaftlern wenige Nanometer kleine Kristalle hoch im Kurs. Diese Nanokristalle nutzen einen viel größeren Anteil des Sonnenlicht-Spektrums. Der Ansatz ist vielversprechend.

Aus Nanokristallen aufgebaute Halbleiter haben bessere optische Eigenschaften und nutzen im Vergleich zu heutigen Solarzellen aus Silizium das Lichtspektrum besser aus. Ein paar Hürden gibt es aber noch zu überwinden.

Die Nanokristall-Solarzelle

"Die sogenannten "Nanokristall-Solarzellen" bestehen aus einer Vielzahl unabhängiger Kristalle verbunden mit einem molekularen Bindemittel. Und innerhalb dieses Kompositmaterials fliessen die Elektronen, aber noch nicht so gut, wie das für eine kommerzielle Anwendung nötig wäre", sagt Vanessa Wood, Professorin für Materialien und Komponenten an der Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich. Bis jetzt sei die Physik des Ladungstransportes in Nanokristall-Kompositen noch nicht komplett verstanden, weshalb die systematische Weiterentwicklung von Nanokristall-Kompositen schwierig war.

Vorgänge in der Zelle werden besser verstanden

Wood und ihre Kollegen untersuchten in einer Studie Nanokristall-Solarzellen, die sie in ihrem Labor an der ETH Zürich selbst herstellen, und sie beschrieben den Elektronenfluss in solchen Zellen erstmals in einem allgemein gültigen physikalischen Modell. "Unser Modell berücksichtigt die Auswirkung einer Änderung der Kristallgröße, des Kristallmaterials oder des molekularen Bindemittels auf den Ladungstransport", sagt Wood. So wird das Modell künftig allen Wissenschaftlern des Forschungsfeldes erlauben, die physikalischen Vorgänge innerhalb von Nanokristall-Solarzellen besser zu verstehen und die Solarzellen weiter zu optimieren.

Warum die Nano-Solarzelle vielversprechend ist

Der Grund für die Begeisterung vieler Solarzell-Forscher für die winzigen Kristalle liegt in der Quantenphysik: Bei Nanokristallen kommen quantenphysikalische Effekte zum Tragen, die steuerbar sind. So sind bei sehr kleinen Kristallen wichtige physikalische Eigenschaften von der Kristallgröße abhängig. Und weil diese Größe im Herstellungsprozess steuerbar ist, können sie die Eigenschaften der Nanokristall-Halbleiter beeinflussen und damit optimal auf deren Anwendung in der Solartechnologie ausrichten. Zu diesen beeinflussbaren Eigenschaften gehört, wie viel des einfallenden Lichts vom Halbleiter absorbiert und zu Strom umgewandelt wird. Das neue ETH-Modell beantwortet jetzt eine Reihe von Fragen und liefert beispielsweise den Beweis dafür, dass die Bandlücken-Energie des Nanokristall-Kompositmaterials von der Bandlücken-Energie der einzelnen Nanokristalle abhängt.

Hürden auf dem Weg zur kommerziellen Anwendung

In den vergangenen fünf Jahren haben Wissenschaftler den Wirkungsgrad von Nanokristall-Solarzellen stark erhöhen können, doch selbst die besten solcher Solarzellen können bisher erst neun Prozent der auf die Zelle treffenden Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie umwandeln. "Um an eine kommerzielle Anwendung denken zu können, ist ein Wirkungsgrad von mindestens 15 Prozent nötig", erklärt Wood. Die Arbeit ihrer Gruppe könnte nun helfen, den Elektronenfluss in den Zellen und aus den Zellen heraus zu erhöhen, somit mehr Strom herzustellen und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Quelle: IWR Online
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