Solarzellen aus Schwarzem Silizium nutzen auch Infrarotstrahlung

(6.11.2012) Drei Viertel der Sonnenstrahlen wandeln konventionelle Solarzellen in elek­trische Energie um - die Infrarotstrahlung dagegen, also die Wärmestrah­lung, geht in der Regel ungenutzt verloren. Anders bei Solarzellen aus Schwarzem Silizium: Sie nut­zen auch diesen Teil des Sonnenspektrums. Forscher konnten den Wirkungsgrad die­ser Zellen nun offenbar verdoppeln.

Schwarzes Silizium wird mit dem Laser bestrahlt. Kleines Foto: Schwarzes Silizium in der Vergrößerung. © Fraunhofer HHI 

Solarzellen aus Schwarzem Silizium nutzen das komplette Sonnenlicht und können auch Infrarotstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Doch was verbirgt sich hin­ter Schwarzem Silizium? „Schwarzes Silizium erhält man, indem man übliches Silizium unter Schwefelatmosphäre mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt“, sagt Dr. Stefan Kontermann, Gruppenleiter der Fraunhofer-Projektgruppe Faseroptische Sensorsyste­me des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI. „Die Oberfläche wird aufgeraut, einzelne Schwefelatome in das Siliziumgitter eingebaut und das Material erscheint schwarz.“

Den Forschern am HHI ist es nun eigenen Angaben zufolge gelungen, den Wirkungs­grad von Solarzellen aus Schwarzem Silizium zu verdoppeln - also mehr Strom aus dem infraroten Teil des Sonnenlichts zu produzieren. „Das haben wir erreicht, indem wir die Pulsform des Lasers verändert haben, mit dem wir das Silizium bestrahlen“, sagt Kon­termann. So konnten die Wissenschaftler ein Problem lösen, das das Schwarze Silizium birgt: Während das Infrarotlicht bei normalem Silizium nicht genügend Energie hat, die Elektronen in das „Leitungsband“ zu heben und somit in Strom umzuwandeln, bildet der eingebaute Schwefel beim Schwarzen Silizium eine Art Zwischenstufe. Man kann sich das so vorstellen, als wolle man auf eine Mauer steigen ...

• einmal erfolglos, da die Mauer zu hoch ist,
• oder in zwei Schritten über eine Zwischenstufe.

Allerdings ermöglicht diese Zwischenstufe im Schwefel nicht nur, dass Elektronen auf die „Mauer“ hinauf kommen können, sondern ebenso den umgekehrten Weg: Elektro­nen aus dem Leiterband springen über diese Stufe wieder zurück - der elektrische Strom geht wieder verloren. Ändern die Forscher nun den Laserpuls, der die Schwefel­atome in das Atomgitter befördert, ändern sie auch die Plätze, die diese Atome dort einnehmen und die Höhe ihrer „Stufen“, also ihr Energieniveau. „Wir haben den einge­bauten Schwefel über die Laserphotonen so verändert, dass möglichst viele Elektro­nen hinauf kommen können, aber möglichst wenig wieder hinuntergelangen“, fasst Kontermann zusammen.

Im ersten Schritt haben die Wissenschaftler die Laserpulse geändert und untersucht, wie sich die Materialeigenschaften von Schwarzem Silizium sowie der Wirkungsgrad von Solarzellen aus diesem Material ändern. Nun arbeiten sie daran, verschiedene Laserpulse einzusetzen und zu analysieren, wie sich die Energieniveaus des Schwefels ändern. Künftig soll ein System von Algorithmen automatisch herausfinden, wie der Laserpuls verändert werden muss, um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen.

Prototypen der Schwarzen Silizium-Solarzellen konnten die Forscher bereits herstellen. In einem nächsten Schritt wollen sie diese Zellen mit der kommerziellen Technologie vereinen. „Wir hoffen, den Wirkungsgrad kommerzieller Solarzellen, der momentan bei etwa 17 Prozent liegt, um ein Prozent erhöhen zu können, indem wir sie mit Schwar­zem Silizium kombinieren“, sagt Kontermann. Ausgangspunkt soll eine handelsübliche Solarzelle sein, von der die Experten die Rückseite entfernen und teilweise mit Schwarzem Silizium beschreiben – somit entsteht eine Tandem-Solarzelle, die norma­les und Schwarzes Silizium enthält. Weiterhin planen die Wissenschaftler eine Aus­gründung: In dieser Firma wollen sie die Laseranlage vermarkten, mit der Hersteller ihre bestehenden Solarzellenlinien erweitern können. Diese wären dann in der Lage, das Schwarze Silizium selbst zu produzieren und serienmäßig in die Zellen einzubauen.

Übrigens:  Das Projekt „Maßgeschneiderte Lichtpulse“ gehört zu den diesjährigen Preisträgern im Wettbewerb „365 Orte im Land der Ideen“; die Auszeichnung fand am 11. Oktober 2012 in Goslar statt.