Bessere Solarzellen mir reflexionsarmem Silizium

Ein neues Beschichtungsmaterial soll den Wirkungsgrad von Solarzellen deutlich erhöhen.

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  • Prachi Patel-Predd

Herkömmliche Solarzellen reflektieren im Schnitt rund ein Drittel des einfallenden Lichtes, dass sie potenziell in elektrischen Strom umwandeln könnten. Der Grund dafür ist das optische Verhalten des eingesetzten Siliziums. Ein neues Beschichtungsmaterial aus Nanostrukturen, das am Rennselaer Polytechnic Institute (RPI) im amerikanischen Bundesstaat New York entwickelt wurde, reduziert den Grad der Reflexionen auf nur noch vier Prozent. Shawn-Yu Lin, Professor für angewandte Physik, konnte so zusammen mit seinem Team den Wirkungsgrad, mit dem die Zellen Licht in Strom verwandeln, um fast 43 Prozent steigern.

Die neue Beschichtung soll Reflexionen auf nahezu allen Wellenlängen des Sonnenlichtes und aus fast jedem Auftreffwinkel verhindern, sagt Lin. Die Nanostrukturen sind rund 700 Nanometer dick und bestehen aus verschiedenen Materialschichten, die die Forscher auf einem Siliziumwafer wachsen lassen. Im Endergebnis lassen sich so Reflexionen aus dem Bereich des sichtbaren und nahinfraroten Lichts vermeiden.

Hersteller von Solarzellen nutzen im höherwertigen Bereich derzeit bereits eine dünne Schicht aus Siliziumnitrid, um Reflexionsprobleme zu verhindern. Dabei wird aber nur ein sehr enger Wellenlängenbereich eingeschränkt, was mit der Dicke des Materials zusammenhängt. Ein weiteres Problem ist, dass die Technik nur bei Licht aus bestimmten Winkeln hilft. Siliziumwafer, die mit Siliziumnitrid beschichtet sind, reflektieren deshalb immer noch bis zu 20 Prozent des auswertbaren Lichts.

Lin und seine Kollegen haben bereits eine ähnliche Beschichtung für Aluminiumnitrid entwickelt, das bei der Herstellung von LEDs verwendet wird. Das nun vorgestellte neue Material ist aber explizit für Silizium vorgesehen, das in Solarzellen verbaut wird. Insgesamt sieben Schichten besitzt der Nanoüberzug: Die unteren beiden bestehen aus Titandioxid, die mittleren drei aus unterschiedlichen Kombinationen aus Siliziumdioxid und Titandioxid und die oberen beiden schließlich aus Siliziumdioxid-Stäbchen im Nanoformat.

Die Stärke der Reflexionen an der Schnittstelle zwischen zwei Materialien, in diesem Fall Luft und Silizium, hängen vom der Größe des Unterschiedes ihres jeweiligen Brechungsindex ab. Reduziert sich der Unterschied, wird auch die Reflexion reduziert. Luft hat einen Brechungsindex von 1, der von Silizium liegt bei 3,5. Die RPI-Forscher nutzen die Schichten ihres Materials nun dazu, diesen Unterschied in kleineren Schritten zu verringern. Die obere Schicht hat einen Brechungsindex von 1,09 und jede weitere einen jeweils größeren. "Die sequenzielle Anordnung der Mehrschicht-Nanostrukturen erlaubt dem Sonnenlicht eine weiche Landung auf der Solarzelle", beschreibt Lin. Das Licht krümmt sich bei seiner Reise durch die Schichten also immer stärker – und umso weniger, wenn es reflektiert wird.

Die Forscher bringen die abgeschrägten Siliziumdioxid-Nanostäbchen in den oberen beiden Schichten auf dem Wafer auf, indem dieser in einem bestimmten Winkel gehalten wird. Durch die Kontrolle der Nanostäbchen wird die Porosität des Materials kontrolliert. So entstehen Schichten mit einem extrem niedrigen Brechungsindex.

Lin und seine Gruppe am RPI sind nicht die einzigen Forscher, die an dem Reflexionsproblem bei Solarzellen arbeiten. Peng Jiang, Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Florida, schuf eine verbesserte Beschichtung, in dem er sie in die Siliziumoberfläche ätzte. So entsteht eine Ansammlung kleiner Siliziumsäulen, die weniger als 300 Nanometer hoch sind. "Unsere besten Muster reflektieren weniger als ein Prozent des auftreffenden Lichtes, die Oberfläche sieht dann völlig dunkel aus", sagt Jiang. Seine Arbeit interessiert längst europäische Solarzellenhersteller, weswegen er derzeit eine Firma gründet, die die Beschichtung auf längere Sicht massenfertigen soll.

Lin sagt, dass seine Beschichtung die Kosten von Solarzellen um einige wenige Prozentpunkte erhöhen würde – nicht mehr als aktuelle Siliziumnitridmaterialien kosten. Die Forscher planen nun, ihre Technik noch weiter zu verfeinern, damit sie in der Solarzellenproduktion auch eingesetzt werden kann. (bsc)