Wenn Ray LaPierre an die Zukunft von Solarzellen denkt, sieht er schwarz – allerdings nur im buchstäblichen Sinne. „Wir haben dunkle Solarzellen entwickelt, die einen großen Teil des Sonnenlichtspektrums schlucken und nur sehr wenig Licht reflektieren“, berichtete der kanadische Wissenschaftler von der McMaster University in Hamilton kürzlich in einer Pressemitteilung. „Diese Eigenschaft sorgt für eine hohe Lichtausbeute.“

Anstatt mit reinem Silizium arbeiten LaPierre und seine Kollegen mit halbleitenden Verbindungen. Dazu gehören Stoffe wie Galliumarsenid, Indiumgalliumphosphid oder Galliumarsenidphosphid, die auch in Leucht- und Laserdioden verwendet werden. Geschickt miteinander kombiniert können diese Materialien theoretisch mehr als 40 Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie verwandeln. Forscher des Fraunhofer-Institutes für Solare Energieforschung in Freiburg haben vor zwei Monaten eine solche Zelle mit einem Wirkungsgrad von fast 38 Prozent präsentiert. Das für den Bau klassischer Solarzellen gebräuchliche, blau schimmernde Silizium dagegen schluckt nur einen kleineren Teil des Sonnenspektrums und kommt selbst im Idealfall nur auf einen Wirkungsgrad von 29 Prozent. Mit einer Ausbeute von rund 25 Prozent sind die Hersteller hier bereits dicht an der Grenze des Machbaren.

Die guten Eigenschaften von Verbindungshalbleitern sind im Grunde nichts Neues und schon längst sorgen Hochleistungssolarzellen aus Galliumarsenid bei Weltraummissionen für die Stromversorgung. Für Hausdächer oder Fassaden sind sie indes zu teuer. Um kostbares Material zu sparen, lassen die Forscher um LaPierre die Halbleiter nun zu winzigen Drähten wachsen. Wie sie unlängst im Journal of Crystal Growth berichteten, setzen sich dabei gasförmige Galliumatome und Arsenmoleküle Teilchen für Teilchen und Schicht für Schicht auf nanometerkleinen Goldinseln fest und formen dabei schließlich winzige säulenförmige Kristalle. Diese sind bis zu fünf Mikrometer lang und mit Durchmessern zwischen zehn und hundert Nanometern bis zu hundertmal dünner als ein menschliches Haar. Durch ein Elektronenmikroskop betrachtet sehen die Scharen von Nanodrähten aus wie eine verstrubbelte Igel-Frisur (siehe Foto).

Strahlt Sonnenlicht durch die Spitzen in das Innere dieser Haare, kommen dort elektrische Ladungsträger in Bewegung. Diese können über die unteren Enden der Drähte schließlich gesammelt und als Strom nutzbar gemacht werden.

Die haarige Form spart nicht nur Material, sondern erhöht zudem die Effizienz der Sonnenwandler: „Die Nanodrähte sind lang genug, um entlang ihrer Achse ausreichend Sonnenlicht einzufangen“, sagt LaPierre. Und der geringe Durchmesser der Drähte garantiere, dass die Ladungsträger wie auf einer Autobahn direkt und schnell zu den Drahtenden gelangen. In herkömmlichen Solarzellen dagegen können die Ladungsträger leicht auf seitliche Umwege geraten und dort auf der Strecke bleiben.

Die Nanodrähte wachsen nach Auskunft der Wissenschaftler nicht nur auf teurem Galliumarsenid, sondern auch auf Silizium. Künftig könnten sie LaPierre zufolge sogar auf biegsamen Kunststofffolien gezüchtet werden – Solarzellen als Meterware von der Rolle sozusagen. Die optimalen Herstellungsbedingungen dafür müssen die Forscher allerdings erst noch finden.

Das kanadische Energieunternehmen Cleanfield Energy jedenfalls ist vom Potenzial der haarigen Solarzellen überzeugt und unterstützt die Forschung von LaPierres Arbeitsgruppe mit rund 300 000 Dollar. Hinzu kommt noch einmal knapp die gleiche Summe an öffentlichen Fördermitteln des Ontario Exzellenzzentrums.

Doch nicht nur in Kanada, sondern auch in den USA werden haarige Solarzellen entwickelt. Paul Yu von der University of California zum Beispiel setzt auf eine Materialkombination aus einem halbleitenden Kunststoff und dem Verbindungshalbleiter Indiumphosphid. Und Charles Lieber von der Harvard University berichtete bereits im vergangenen Jahr im Wissenschaftsmagazin Nature über den Prototyp einer Siliziumsolarzelle im Nanodrahtdesign.

Punkten können diese Konzepte vor allem mit geringen Materialkosten. Am Wirkungsgrad indes müssen die Forscher noch feilen. Yu hat gerade erst nachgewiesen, dass seine Zelle überhaupt funktioniert; die Liebersche Zelle erreicht im Labor, also unter besten Bedingungen, einen Wirkungsgrad von nur vier Prozent und LaPierre hält die aktuellen Leistungsdaten seiner Galliumarsenid-Prototypen noch geheim.

Die Forscher wissen, dass sie mit ihrer Arbeit noch am Anfang stehen. „Wir sind da, wo die klassische Silizium-Fotovoltaik in den Fünfzigerjahren war“, räumt LaPierre ein. Dennoch ist er optimistisch: In fünf Jahren schon will er die ersten Nanodraht-Solarzellen mit Wirkungsgraden im zweistelligen Bereich präsentieren. Es sei durchaus wahrscheinlich, dass irgendwann auch Nanodraht-Zellen ihren Platz auf dem Fotovoltaikmarkt finden werden, meint der Solarenergie-Experte Hans-Werner Schock vom Helmholtz-Zentrum Berlin für neue Materialien und Energie. „Heute schon behaupten sich die unterschiedlichen Zelltypen mit ihren Vor- und Nachteilen nebeneinander“, sagt Schock. Eine Solarzelle, die zugleich beständig, billig und hoch effizient ist, gebe es derzeit noch nicht.

Nano Letters, Bd. 8, S. 775,

Nature Materials, Bd. 6, S. 841

Journ. of Crystal Growth, Bd.310, S. 356

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vgl.  Berliner Zeitung v. 18.09.2008

Die Farbe einer Solarzelle bestimmt, welche Wellenlängen des Lichts sie einfängt und umwandeln kann. Konventionelle Solarzellen erscheinen meist bläulich schimmernd, da sie mit einer antireflektiven Schicht überzogen sind. Diese Schicht verstärkt zudem die Absorption des grünen Lichtanteils, der im Sonnenlicht besonders stark vertreten ist.

Farbe beeinflusst Spannung und Stromstärke
Doch nicht immer ist ein breites Spektrum günstig, wie Yiying Wu von der Ohio State Universität erklärt: „Wenn man die größte Effektivität erreichen will, muss man sowohl die Spannung als auch die Stromstärke betrachten, die man erreichen kann. Wenn man eine breites Spektrum an Wellenlängen absorbiert, geht dies zu Lasten der Spannung, Andererseits, wenn die Schwelle für die Absorption sehr hoch ist, erreicht man zwar hohe Spannungen, aber opfert dafür Stromstärke. Das Ziel ist es daher, hier eine Balance zu finden.“

In den seit den 1990er Jahren entwickelten Pigment-Solarzellen (dye-sensitized solar cells, DSSCs) umhüllen Farbmoleküle winzige Metalloxid-Partikel und bilden gemeinsam einen dünnen Film. Pink als Solarzellfarbe ist dabei keineswegs ungewöhnlich: Denn die meisten DSSCs enthalten Ruthenium, das rot gefärbt ist, sowie ein Metalloxid, meist Titanoxid oder Zinkoxid, das weißlich ist.

Die Farbmoleküle absorbieren die Lichtenergie und setzen dabei Elektronen frei, die Metalloxidpartikel fungieren dabei als Leiter und transportieren die Elektronen zu einem elektrischen Schaltkreis. Doch auf dem Weg dorthin können Elektronen verloren gehen, sie „versickern“ gewissermaßen zwischen den Oxidteilchen. Daher erreichen die Pigmentsolarzellen zurzeit gerade mal die Hälfte der Effizienz der konventionellen Solarzellen – kosten allerdings dafür auch nur ein Viertel so viel.

Die Forscher um Wu probierten daher eine neue Kombination aus, um die Effektivität dieser Solarzellen zu verbessern. Sie setzten erstmals statt eines einfachen Metalloxids die komplexere Verbindung Zinkstannat ein. Der Vorteil: Zinkstannat lässt sich in seinen Eigenschaften leicht verändern und ermöglicht so die Produktion maßgeschneiderter Solarzellen. Die erreichte Effizienz lag allerdings noch immer deutlich unterhalb der konventioneller Solarzellen.

Doch die Wissenschaftler sind noch längst nicht am Ende ihres Lateins: Denn bereits im letzten Jahr haben sie DSSCs auf Titanoxid-Basis entwickelt, in denen winzige Nanodrähte das „Versickern“ der Elektronen verhinderten. Jetzt erhoffen sie sich eine noch größere Effizienz durch die Kombination beider Methoden: Sie wollen winzige verzweigte „Bäume“ aus Zinkstannat einsetzen, um die Elektronen „in der Spur“ zu halten

Bäume als Vorbild
„Wir haben uns gefragt, welche Struktur am besten geeignet sein könnte, um Licht einzufangen und Materialien zu transportieren – und stießen auf das Vorbild Baum“, erklärt Wu. „Seine Blätter liefern eine große Oberfläche für die Absorption von Licht und die Zweige transportieren die Nährstoffe zu den Wurzeln. In unserem DSSC-Entwurf entsprechen die von Farbe umhüllten Partikel die Oberfläche, und die Nano-Bäume transportieren die Elektronen.“

Möglicherweise werden daher eines Tages pinkfarbene Solarzellen die Dächer unserer Häuser verzieren – aber andere Farben sind durchaus auch möglich. Denn die Wissenschaftler experimentieren zurzeit mit gleich einer ganzen Reihe von verschiedenfarbigen Pigmenten und Oxidkombinationen.

 (Ohio State University, 31.07.2007 – NPO)

vgl. g-o.de