Nanokristall-Solarzellen besser verstehen

F¨¹r die n?chste Generation von Solarzellen stehen bei Wissenschaftlern wenige Nanometer kleine Kristalle hoch im Kurs. Aus solchen Nanokristallen aufgebaute Halbleiter haben vorz¨¹gliche optische Eigenschaften; sie nutzen im Vergleich zu heutigen Solarzellen aus Silizium einen viel gr?sseren Anteil des Sonnenlicht-Spektrums. Allerdings gibt es H¨¹rden bei ihrer Entwicklung: ?Nanokristall-Solarzellen bestehen aus einer Vielzahl unabh?ngiger Kristalle verbunden mit einem molekularen Bindemittel. Und innerhalb dieses Kompositmaterials fliessen die Elektronen noch nicht so gut, wie das f¨¹r eine kommerzielle Anwendung n?tig w?re?, sagt Vanessa Wood, Professorin f¨¹r Materialien und Komponenten an der ETH Z¨¹rich. 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 Z¨¹rich selbst herstellen, und sie beschrieben den Elektronenfluss in solchen Zellen erstmals in einem allgemein g¨¹ltigen physikalischen Modell. ?Unser Modell ber¨¹cksichtigt die Auswirkung einer ?nderung der Kristallgr?sse, des Kristallmaterials oder des molekularen Bindemittels auf den Ladungstransport?, sagt Wood. So wird das Modell k¨¹nftig allen Wissenschaftlern des Forschungsfeldes erlauben, die physikalischen Vorg?nge innerhalb von Nanokristall-Solarzellen besser zu verstehen und die Solarzellen weiter zu optimieren.

Vielversprechend wegen Quanteneffekten

Der Grund f¨¹r die Begeisterung vieler Solarzell-Forscher f¨¹r die winzigen Kristalle liegt in der Quantenphysik: Bei Nanokristallen kommen quantenphysikalische Effekte zum Tragen (die bei gr?sseren Kristallen keine Rolle spielen). So sind bei sehr kleinen Kristallen wichtige physikalische Eigenschaften von der Kristallgr?sse abh?ngig. Und weil die Wissenschaftler diese Gr?sse im Herstellungsprozess steuern k?nnen, k?nnen sie auch die Eigenschaften der Nanokristall-Halbleiter beeinflussen und damit optimal auf deren Anwendung in der Solartechnologie ausrichten.

Zu diesen beeinflussbaren Eigenschaften geh?rt, wie viel des einfallenden Lichts vom Halbleiter absorbiert und zu Strom umgewandelt wird. Halbleiter absorbieren grunds?tzlich nicht das ganze Lichtspektrum der Sonne, sondern nur Strahlung mit einer Wellenl?nge unterhalb einer materialabh?ngigen Maximal-Wellenl?nge oder ¨C anders ausgedr¨¹ckt ¨C Strahlung mit Energie oberhalb der sogenannten Bandl¨¹cken-Energie. In den meisten Halbleitern kann diese Grenze nur mit einer ?nderung der chemischen Zusammensetzung der Materialien ge?ndert werden. Bei Halbleitern aus Nanokristallen kann man diese Absorptionsgrenze jedoch auch ¨¹ber eine ?nderung der Kristallgr?sse ?ndern. Wissenschaftler k?nnen also bei der Herstellung der Nanokristalle deren Gr?sse so steuern, dass sie m?glichst viel Licht aus einem m?glichst grossen Bereich des Sonnenspektrums absorbieren.

Weitere Vorteile von Nanokristall-Halbleitern: Sie absorbieren sehr viel mehr Sonnenlicht als klassische Silizium-Halbleiter. Das Halbleitermaterial Bleisulfid, das die Forschenden f¨¹r ihre experimentelle Arbeit verwendeten, hat im Vergleich dazu beispielsweise eine um mehrere Gr?ssenordnungen h?here Absorption. Daher reicht f¨¹r die Herstellung von Nanokristall-Solarzellen bereits wenig Material aus. Es ist folglich m?glich, damit sehr d¨¹nne, flexible Solarzellen zu bauen.

Wirkungsgrad muss erh?ht werden

Das neue Modell der ETH-Forschenden beantwortet eine Reihe von bisher offenen Fragen. Zum Beispiel fehlte bisher ein experimenteller Beweis daf¨¹r, dass die Bandl¨¹cken-Energie des Nanokristall-Kompositmaterials von der Bandl¨¹cken-Energie der einzelnen Nanokristalle abh?ngt. ?Wir haben nun erstmals im Experiment gezeigt, dass dem so ist?, sagt Wood.

In den vergangenen f¨¹nf Jahren haben Wissenschaftler den Wirkungsgrad von Nanokristall-Solarzellen stark erh?hen k?nnen, doch selbst die besten solcher Solarzellen haben immer noch einen tiefen Wirkungsgrad: Nur gerade neun Prozent der auf die Zelle treffenden Lichtenergie der Sonne wird in elektrische Energie umgewandelt. ?Um an eine kommerzielle Anwendung denken zu k?nnen, ist ein Wirkungsgrad von mindestens 15 Prozent n?tig?, erkl?rt Wood. Die Arbeit ihrer Gruppe k?nnte nun helfen, den Elektronenfluss in den Zellen und aus den Zellen heraus zu erh?hen, somit mehr Strom herzustellen und damit den Wirkungsgrad zu erh?hen.