Photovoltaik

Nanokristall-Solarzellen besser verstehen

ETH-Forschende entwickelten eine umfassende Theorie dafür, wie die Elektronen im Innern von neuartigen Solarzellen aus winzigen Kristallen fließen. Die Theorie dient dem besseren Verständnis solcher Zellen und könnte helfen, ihren Wirkungsgrad zu erhöhen.

Ein von den ETH-Forschenden hergestellter Solarzellen-Chip auf der Grundlage von Nanokristallen. (Bild: Deniz Bozyigit / ETH Zürich)

Für die nächste Generation von Solarzellen stehen bei Wissenschaftlern wenige Nanometer kleine Kristalle hoch im Kurs. Aus solchen Nanokristallen aufgebaute Halbleiter haben vorzügliche optische Eigenschaften; sie nutzen im Vergleich zu heutigen Solarzellen aus Silicium einen viel größeren Anteil des Sonnenlicht-Spektrums. Allerdings gibt es Hürden bei ihrer Entwicklung: „Nanokristall-Solarzellen bestehen aus einer Vielzahl unabhängiger Kristalle verbunden mit einem molekularen Bindemittel. Und innerhalb dieses Kompositmaterials fließen die Elektronen noch nicht so gut, wie das für eine kommerzielle Anwendung nötig wäre“, sagt Vanessa Wood, Professorin für Materialien und Komponenten an der 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.

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.

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Vielversprechend wegen Quanteneffekten
Der Grund für die Begeisterung vieler Solarzell-Forscher für die winzigen Kristalle liegt in der Quantenphysik: Bei Nanokristallen kommen quantenphysikalische Effekte zum Tragen (die bei größeren Kristallen keine Rolle spielen). So sind bei sehr kleinen Kristallen wichtige physikalische Eigenschaften von der Kristallgröße abhängig. Und weil die Wissenschaftler diese Größe im Herstellungsprozess steuern können, können sie auch 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. Halbleiter absorbieren grundsätzlich nicht das ganze Lichtspektrum der Sonne, sondern nur Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb einer materialabhängigen Maximal-Wellenlänge oder – anders ausgedrückt – Strahlung mit Energie oberhalb der sogenannten Bandlücken-Energie.

In den meisten Halbleitern kann diese Grenze nur mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung der Materialien geändert werden. Bei Halbleitern aus Nanokristallen kann man diese Absorptionsgrenze jedoch auch über eine Änderung der Kristallgröße ändern. Wissenschaftler können also bei der Herstellung der Nanokristalle deren Größe so steuern, dass sie möglichst viel Licht aus einem möglichst großen Bereich des Sonnenspektrums absorbieren.

Weitere Vorteile von Nanokristall-Halbleitern: Sie absorbieren sehr viel mehr Sonnenlicht als klassische Silicium-Halbleiter. Das Halbleitermaterial Bleisulfid, das die Forschenden für ihre experimentelle Arbeit verwendeten, hat im Vergleich dazu beispielsweise eine um mehrere Größenordnungen höhere Absorption. Daher reicht für die Herstellung von Nanokristall-Solarzellen bereits wenig Material aus. Es ist folglich möglich, damit sehr dünne, flexible Solarzellen zu bauen.

Wirkungsgrad muss erhöht werden
Das neue Modell der ETH-Forschenden beantwortet eine Reihe von bisher offenen Fragen. Zum Beispiel fehlte bisher ein experimenteller Beweis dafür, dass die Bandlücken-Energie des Nanokristall-Kompositmaterials von der Bandlücken-Energie der einzelnen Nanokristalle abhängt. „Wir haben nun erstmals im Experiment gezeigt, dass dem so ist“, sagt Wood.

In den vergangenen fünf Jahren haben Wissenschaftler den Wirkungsgrad von Nanokristall-Solarzellen stark erhöhen können, doch selbst die besten solcher Solarzellen haben immer noch einen tiefen Wirkungsgrad: Nur gerade 9 % der auf die Zelle treffenden Lichtenergie der Sonne wird in elektrische Energie umgewandelt. „Um an eine kommerzielle Anwendung denken zu können, ist ein Wirkungsgrad von mindestens 15 % 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.

Fabio Bergamin, ETH Zürich

Literaturhinweis:
Bozyigit D, Lin WMM, Yazdani N, Yarema O, Wood V: A quantitative model for charge carrier transport, trapping and recombination in nanocrystal-based solar cells. Nature Communications, 27. Januar 2015, DOI: 10.1038/ncomms7180.

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