Obwohl die Wissenschaftler in den vergangenen Jahren den Wirkungsgrad von Nanokristall-Solarzellen markant erhöht haben, ist dieser immer noch tief: Nur gerade 9 Prozent der auftreffenden Lichtenergie der Sonne wird in elektrische Energie umgewandelt.
Die Forschung der ETH Zürich trägt dazu bei, die physikalischen Vorgänge in Solarzellen aus Nanokristallen besser zu verstehen und für die Anwendung zu optimieren. Ein neu entwickeltes Modell der ETH beantwortet eine Reihe von bisher offenen Fragen.
In ihrer umfassenden Theorie beschreiben Forschende um Vanessa Wood, Professorin für Materialien und Komponenten an der ETH, wie die Elektronen im Inneren von neuartigen Solarzellen aus winzigen Kristallen fliessen. Dies dürfte dazu beitragen, die Hürden bei der Entwicklung solcher Nanokristall-Solarzellen abzubauen, wie die ETH in einer Mitteilung vom Dienstag schreibt.
Modell des Elektronenflusses
Hoch im Kurs stehen die wenigen Nanometer kleinen Kristalle vor allem, weil die aus ihnen aufgebauten Halbleiter einen viel grösseren Anteil des Sonnenlicht-Spektrums nutzen als etwa die heutigen Solarzellen aus Silizium. Allerdings bestehen die Nanokristall-Solarzellen aus vielen unabhängigen Kristallen, die mit einem molekularen Bindemittel verbunden sind - und innerhalb dieses Verbunds «fliessen die Elektronen noch nicht so gut, wie das für eine kommerzielle Anwendung nötig wäre», wird Wood im Communiqué zitiert.
Die Forscherin und ihre Kollegen untersuchten nun in einer Studie Nanokristall-Solarzellen, die sie in ihrem Labor selbst herstellen. Sie beschrieben den Elektronenfluss in solchen Zellen zum ersten Mal in einem allgemein gültigen physikalischen Modell, das sie in der Fachzeitschrift «Nature Communications» veröffentlichten. Das Modell berücksichtigt sowohl die «Auswirkung einer Änderung der Kristallgrösse, des Kristallmaterials oder des molekularen Bindemittels auf den Ladungstransport», wie die Professorin erklärt.
Kristallgrösse steuert Absorption
Das Besondere an den winzigen Kristallen ist, dass bei ihnen quantenphysikalische Effekte zum Tragen kommen, die bei grösseren Kristallen keine Rolle spielen. So hängen etwa bei Nanokristallen wichtige physikalische Eigenschaften von der Kristallgrösse ab. Da die Wissenschaftler die Grösse bei der Herstellung steuern können, können sie die Nanokristall-Halbleiter optimal auf deren Anwendung in der Solartechnologie ausrichten.
Beeinflussbar ist unter anderem, wie viel des einfallenden Lichts vom Halbleiter absorbiert und in Strom umgewandelt wird. So absorbiert ein Halbleiter jeweils nur Strahlung, deren Wellenlänge unterhalb eines bestimmten, materialabhängigen Werts liegt, oder - anders ausgedrückt - Strahlung mit Energie oberhalb der sogenannten Bandlücken-Energie.
Während diese Eigenschaft in den meisten Halbleitern nur über die chemische Zusammensetzung des Materials verändert werden kann, lässt sich diese Absorptionsgrenze bei Halbleitern aus Nanokristallen auch über die Kristallgrösse beeinflussen. Die Forschenden der ETH konnten in ihrem Experiment erstmals zeigen, dass die Bandlücken-Energie des Nanokristall-Verbunds von der Bandlücken-Energie der einzelnen Nanokristalle abhängt.
Flexible Solarzellen
Das Material, das die Forschenden für ihre Experimente benutzten, hat zudem den Vorteil, dass es mehr Sonnenlicht aufnehmen kann als klassische Silizium-Halbleiter. Um Nanokristall-Solarzellen herzustellen, reicht daher bereits wenig Material aus. So ist es möglich, sehr dünne, flexible Solarzellen zu fertigen.
Obwohl die Wissenschaftler in den vergangenen Jahren den Wirkungsgrad von Nanokristall-Solarzellen markant erhöht haben, ist dieser immer noch tief: Nur gerade 9 Prozent der auftreffenden Lichtenergie der Sonne wird in elektrische Energie umgewandelt. «Um an eine kommerzielle Anwendung denken zu können, ist ein Wirkungsgrad von mindestens 15 Prozent nötig», erklärt Wood.
