Nutzbaren Spektralbereich erweitert

Effizientere Solarzellen durch Nanostrukturen

Dass ternäre Halbleiter-Nanostrukturen den nutzbaren Spektralbereich des Sonnenlichts von Solarzellen erweitern, konnten jetzt chinesische Wissenschaftler zeigen.

Aufbau der ternären Halbleiter-Nanostrukturen (© Wiley-VCH).

Auf der Suche nach effektiveren Materialien für Solarzellen haben chinesische Wissenschaftler jetzt drei sulfidische Halbleitermaterialien zu einem nanostrukturierten Hybridsystem kombiniert. Dieses System wandelt das volle Sonnenlichtspektrum vom ultravioletten bis zum nahinfraroten Spektralbereich in Elektrizität um. Diese Neuentwicklung könnte den Weg zu effizienteren Solaranlagen ebnen.

Das derzeit in Solarzellen hauptsächlich verwendete kristalline Silicium deckt effektiv nur den sichtbaren Bereich des Sonnenlichtspektrums ab. Andere Halbleitermaterialien erreichen zwar weitere Spektralregionen, aber die ideale Photozelle sollte kontinuierlich im gesamten Strahlungspektrum vom Ultravioletten bis hin zum Infraroten die Strahlung aufnehmen und umwandeln können. Shu-Hong Yu und Jun Jiang von der University of Science and Technology in Hefei (China) und ihre Mitarbeiter haben nun ein nanostrukturiertes Halbleitersystem entwickelt, das ultraviolettes, sichtbares und nahinfrarotes Licht absorbiert. Dieses Ternärhybrid aus Zink-, Cadmium und Kupfersulfid hat die Form von winzigen, strukturierten Stäbchen und weist eine ideale Anordnung der Bandlücken auf, um die durch Licht erzeugten Ladungsträger effektiv zu sammeln und weiterzuleiten.

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Auf Nanostäben aus Zinksulfid ordneten die Wissenschaftler Cadmiumsulfidhüllen wie Perlen auf einer Kette an. Das Zinksulfid absorbiert dabei das UV-Licht, während das Cadmiumsulfid den Bereich des sichtbaren Lichts abdeckt. Für die IR-Absorption wählten die Wissenschaftler als dritte Komponente fehlstellenbehaftete Kupfersulfidkristalle, die im nahen Infrarot eine besondere Absorptionsart aufweisen: die Oberflächen-Plasmonenresonanz. „Diese Heteronanostäbe absorbieren quer über fast den gesamten Spektralbereich der Sonnenenergie“, berichten die Wissenschaftler über ihr Ergebnis.

Die Leistungsfähigkeit der Nanostäbe testeten Yu und seine Mitarbeiter in der elektrochemischen Wasserspaltung. Unter Beleuchtung im gesamten Spektralbereich entwickelten die Elektroden einen deutlichen Photostrom: der erste experimentelle Hinweis auf ein funktionierendes Photovoltaiksystem. Die große Errungenschaft dieser Arbeit ist jedoch die perfekte Justierung der empfindlichen Kontaktstellen zwischen den verschiedenen Halbleitermaterialien. Die Kontakte ordnen die jeweiligen Energielücken der drei Halbleiterkristalle so an, dass das Material die Photoelektronen effizient sammeln und weiterleiten kann. „Durch eine solche gestaffelte Anordnung werden die photoerzeugten Elektronen und Löcher in der ternären hybriden Nanostruktur effektiv voneinander getrennt“, berichten die Autoren. Obwohl weitere Experimente nötig sind, weist dieses System auf effizientere Solarzellen hin, die auch jenseits der Farben des Regenbogens operieren.

Über den Autor
Prof. Shu-Hong Yu ist Direktor der Division of Nanomaterials and Nanochemistry am Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale an der University of Science and Technology von China. Sein Forschungslabor arbeitet an neuen Techniken zur Synthese von Nanomaterialien, ihre Selbstorganisation und ihre Anwendung für die Hochtechnologie. Dr. Jun Jiang ist Professor für physikalische Chemie an der School of Chemistry and Materials Science an der University of Science and Technology von China. Seine Forschungsinteressen liegen auf der Entwicklung von Multiskalenmodellen mit Methoden der Quantenchemie und Molekülmechanik und ihrer Anwendung in der Photokatalyse und der molekularen und elektronischen Photonik.

Referenz
Integration of Semiconducting Sulfides for Full-Spectrum Solar Energy Absorption and Efficient Charge Separation. Angewandte Chemie. http://dx.doi.org/10.1002/ange.201601865

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