Strom aus ultraleichten Nanodrähten

(21.6.2012) Ein Wissenschaftlerteam vom Center for Nano­integration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) hat eine Methode entwickelt, Nanodrähte für ultraleichte Solarzellen nutzbar zu machen. Das Ergebnis wurde in „Ad­vanced Functional Materials“ veröffentlicht.

Herkömmliche Solarzellen bestehen aus zwei Schichten, von denen eine - vereinfacht ausgedrückt - negativ geladen ist, die andere positiv. An der Grenzfläche zwischen diesen Schichten wird die Energie der Sonnenstrahlen absorbiert und in Strom umgewandelt. Die Wandlung von Sonnenlicht in Strom geschieht dabei auf einer Strecke von etwa einem Hundertstel Millimeter, in der Nanotechnologie ein halber Marathon. Das bedeutet immensen Materialverbrauch, hohes Gewicht und schließlich hohe Kosten. Tauscht man das klassische Solarzellen­material Silizium gegen Galliumarsenid aus, wird die Strecke um den Faktor 100 reduziert.

In der Arbeitsgruppe von CENIDE-Professor Franz-Josef Tegude beschäftigt sich Christoph Gutsche während seiner Promotion mit neuartigen Solarzellen im winzigsten Maßstab: Es geht um Nanodrähte aus Galliumarsenid, die an ein menschliches Haar erinnern, aber einen tausendfach kleineren Durchmesser aufweisen. Im Gegensatz zu den klassischen Schichtsystemen, die nur rund 60 Prozent des Sonnenlichts einfangen können, absorbieren dicht an dicht stehende Nanodrähte mehr als 90 Prozent der ein­fallenden Strahlung. Zudem bestehen Gutsches Drähte aus einem negativ geladenen Kern und einer positiv geladenen Hülle, so dass das Verhältnis zwischen Platzbedarf und der zur Stromerzeugung benötigten Grenzfläche deutlich größer ist als bei den Schichtsystemen. Dies macht die Nanodrähte zu potenziellen Kandidaten für wirt­schaftlich wettbewerbsfähige Anwendungen, bei denen ein geringes Gewicht er­wünscht ist, beispielsweise in der Raumfahrt.

Um den erzeugten Strom an den Drähten abführen zu können, muss je ein elektrischer Kontakt am Kern und an der Hülle anliegen. Und genau hier lag bisher das Problem derartiger Kern-Hülle-Nanodrähte: Innen wie außen bestehen sie aus Galliumarsenid, der Kern hat einen Durchmesser von 100 Nanometern (nm), mit Hülle messen sie 270 nm im Querschnitt. Den Wachstumsprozess kann man zwar in gewissen Grenzen be­einflussen, nicht aber so, dass z.B. ein Stück Kern aus der Hülle herausragen würde.

Wie kontaktiert man also exakt Kern- und Hüllenoberfläche? Zwischen Kern und Hülle hat Gutsche eine Zwischenschicht eingebaut: Mit Phosphorsäure löst er die äußere Hülle ab, mit Salzsäure die Zwischenhülle. Beide Säuren ätzen selektiv, so dass der Ablösungsprozess jeweils automatisch am Beginn der neuen Schicht stoppt. „Mit dieser Methode können wir auch Schwankungen bei der Herstellung ausgleichen“, erklärt Gutsche. „Wir können tausende Drähte gleichzeitig und vorsichtshalber etwas länger ätzen. An der Schichtgrenze stoppt der Prozess ohnehin.“

Mithilfe dieser Methode haben es die CENIDE-Wissenschaftler laut eigenem Bekunden als Erste geschafft, einen radialen (von Kern zu Hülle) Nanodraht gezielt und im großen Maßstab reproduzierbar zu kontaktieren und für die Stromerzeugung aus Sonnenlicht zu nutzen.