Haarige Zellen

Jos Haverkort hat einen verwegenen Plan. Der Forscher von der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden will Solarzellen „Haare“ aus nanometerdünnen Halbleiterdrähten wachsen lassen. „Mit solchen Zellen lassen sich, unterstützt von Sonnenlichtkonzentratoren, Spitzenwirkungsgrade von über 65 Prozent erreichen“, behauptet er. Die Nanodrahtzellen haben im Vergleich zu klassischen Dünnschichtzellen gleich mehrere Vorteile: Sie schlucken mehrSonnenlicht und – wenn jedes Haar aus mehreren Halbleitermaterialien besteht – auch ein besonders breites Spektrum. Außerdem kommen sie mit weit weniger Material aus und sind deshalb deutlich billiger. Bisher ist es nur ein Plan, doch der kam bei der niederländischen Regierung so gut an, dass sie Haverkort und seinen Kollegen Gert Verborg und Erik Bakkers gut zwei Millionen Euro zur Verfügung gestellt hat. „Wir dürfen den Anschluss an diese Entwicklung nichtverpassen“, heißt es in einer Pressemitteilung. Die Sorge hat Gründe, denn die Entwicklung der Nanodrahtzellen findet heute vor allem in Amerika statt. Hier laufen schon lange viele Projekte, wenn auch die Wirkungsgrade zurzeit nur um fünf Prozent liegen.

So sind die US-Forscher um Charles Lieber von der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, schon seit rund zehn Jahren am Ball, und auch Wissenschaftler des Institute of Technologyin Pasadena und der NASA treiben die Entwicklung voran. Sie arbeiten vor allem mit dem Halbleiter Silizium. Nanodraht-Solarzellen aus Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid oder Kupfer-Indium-Diselenid, die auch Haverkorts Team favorisiert, sind unter anderem Forschungsgegenstand am General Electric Global Research Center im US-Staat New York – und an der McMaster University in Ontario, Kanada.

Dampf durch die Goldkugel

Dort präsentierte Ray LaPierre vor fast drei Jahren eine erste Nanodrahtzelle aus Galliumarsenid, ganz in schwarz. „Das Sonnenlicht wird zwischen den Drähten hin und her gestreut, bis fast alles absorbiert ist“, erklärt der Forscher. Im Elektronenmikroskop betrachtet erinnert LaPierres Arrangement aus Nano-drähten an eine leicht verstrubbelte Mecki-Frisur. Die Drähte in LaPierres Zelle sind ein paar Mikrometer lang und mit Durchmessern zwischen 50 und 100 Nanometern rund 100 Mal schlanker als ein menschliches Haar und sitzen auf einem Substrat. Jeder einzelne Nanodraht funktioniert dabei wie eine klassische Solarzelle. Er besteht im Wesentlichen aus einer p- und einer n-dotierten Schicht eines Halbleiterkristalls. Die p-dotierte Seite ist mit Fremdatomen gespickt, die weniger Bindungselektronen enthalten als das Ausgangsmaterial. Die n-dotierte Seite enthält Atome mitmehr Bindungselektronen. Im Grenzbereich wandern überschüssige Elektronen aus dem n- in das p-Material, und ein elektrisches Feld entsteht. Werden in diesem Feld Halbleiterelektronen von der Sonne angeregt und aus ihren Bindungen gelöst, driften sie so schnell zu denKontakten, dass sie nicht wieder in ihre Bindungen zurückfallen oder „rekombinieren“, wie die Solarforscher es nennen. Die an den Kontakten gesammelten Elektronen werden schließlich als Strom und Spannung nutzbar gemacht. Der Wirkungsgrad liegt bei circa fünf Prozent.

Als Substrat dient anders als bei konventionellen Galliumarsenidzellen eine Siliziumscheibe. „Das macht die Nanodrahtzellen billiger, denn Galliumarsenid-Dünnschichtzellen brauchen in derRegel teures Germanium als Basis“, sagt Ray LaPierre. In der Produktion bringt er erst nanometerkleine Goldtröpfchen auf die Siliziumscheibe. Dann verdampft er wie bei der Herstellung von konventionellen Galliumarsenidzellen gallium- und arsenhaltige Verbindungen. Der Dampf löst sich im Gold, schlüpft quasi hindurch und scheidet sich unter der Kugel als Galliumarsenid ab. Schicht für Schicht wachsen so säulenartige Kristalle, auf denen die Goldkugeln thronen wie Kirchenkuppeln. Diese werden zum Schluss abgeschliffen, so dass die Galliumarseniddrähte frei stehen. Sie versieht der Forscher mit einer Schicht aus durchsichtigem, elektrisch leitfähigem Indiumzinn- oder Zinkoxid. Wie bei Dünnschichtzellen wird zum Schluss noch ein Metallgitter auf das Oxid gedampft, um den elektrischen Vorderseitenkontakt herzustellen. Der Rückkontakt wird über das Siliziumsubstrat geschlossen.

LaPierre wie auch der niederländische Forscher Haverkort wollen künftig in jedem Nanodraht nicht Galliumarsenid allein, sondern gleich mehrere verschiedene Verbindungshalbleiter übereinander wachsen lassen. Weil jedes Halbleitermaterial verschiedene Wellenlängen des Sonnenlichts schluckt, lässt sich damit ein besonders breites Spektrum einfangen. In klassischen Mehrfachsolarzellen aus Verbindungshalbleitern sorgt dieser Trick schon heute für Wirkungsgrad-Weltrekorde. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg konnte kürzlich eine fünf Quadratmillimeter kleine Zelle aus den Halbleitern Galliumindiumphosphid, Galliumindiumarsenid und Germanium mit einem Wirkungsgrad von 41,1 Prozent bei 454-facher Sonnenlichtkonzentration präsentieren. „Wir konnten erstmals eine Solarzellenstruktur herstellen, die exakt dem terrestrischen Sonnenspektrum angepasst ist“, heißt es in einer Pressemitteilung. Mehrfachsolarzellen mit Wirkungsgraden um 35 Prozent sind heute schon im Einsatz, jedoch noch sehr teuer. Sie kommen nur in großen Solarkraftwerken mit Konzentratorzellen und in der Raumfahrt zum Einsatz.

Nano soll viel Geld sparen

„Eine ausgereifte Mehrfachsolarzelle aus Nanodrähten wird billiger sein, weil sie mit viel weniger Halbleitermaterial auskommt“, betont der niederländische Forscher Haverkort. Nicht einmal ein Hundertstel der Solarzellenfläche müsse mit den Drähten gespickt werden. „Die Kosten zum Beispiel für das teure Ausgangsmaterial Triethylgallium würden sich für eine Dreifachsolarzelle beispielsweise von 1.800 Euro pro Quadratmeter im Dünnschichtfall auf 18 Euro pro Quadratmeter Zellfläche reduzieren“, rechnet er vor. Ein großer Einsparposten sei zudem der Verzicht auf das teure Germanium- oder Galliumarsenidsubstrat, das in den konventionellen Galliumarsenidzellen mit ungefähr 40.000 Euro je Quadratmeter zu Buche schlage. Die Herstellung wäre zudem einfacher, denn die verschiedenen Halbleitermaterialien lassen sich in den Nanodrähten übereinanderschichten, ohne dass es an den Grenzflächen zu mechanischen Spannungen kommt. Bei klassischen Dünnschichtzellen ist das nicht der Fall, und es muss eine Pufferschicht zwischen die Materialien geschaltet werden.

Auch bei der Technik der Forscher des California Institute of Technology (Caltech), die statt mit Galliumarsenid mit Silizium arbeiten, gibt es Vorteile: Sie konnten zeigen, dass sich die Silizium-Nanodrähte auch in einen transparenten Kunststoff betten und dann inklusive Kunststoffmantel vom Substrat wieder entfernen lassen. „Das spart Kosten, denn man kann das Substrat wieder verwenden“, schreiben sie im Fachblatt Advanced Materials. Die substratfreie Solarzelle ist außerdem sehr biegsam und könnte sozusagen von der Rolle verkauft werden. Die Nanodrähte darin werdendurch den Kunststoff auf Abstand gehalten und direkt über eine dünne Metallschicht an der Rück- und eine Schicht aus transparentem Oxid an der Frontseite kontaktiert – bisher aber nur im Labor.

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Mit Nanokugeln gespickte Zellen

Nanometerkleine Kügelchen aus Metall oder Metalloxiden streuen das Sonnenlicht wie eine Diskokugel in alle Richtungen. In Solarzellen können sie die Absorption und damit den Wirkungsgrad erhöhen. Diesen Effekt haben Forscher der Beijing Normal University in China genutzt und eine Solarzelle aus Silizium-Nanodrähten mit Platinkügelchen gespickt. Der Wirkungsgrad der Zelle lag nach ihren Angaben bei über acht Prozent statt bei den üblichen rund fünf Prozent ohne das Kugel-Tuning. Grund genug für alle Nanodrahtforscher, ihre ohnehin schon

sehr gut absorbierenden Nanodrahtzellen mit diesem Trick noch zu tunen.

Das Ganze funktioniert aber auch bei klassischen Dünnschichtzellen. Davon berichteten Forscher aus den Niederlanden und den USA auf der letzten europäischen Photovoltaikkonferenz im spanischen Valencia. Die Teams des Forschungsinstituts AMOLF in Amsterdam, des California Institute of Technology im kalifornischen Pasadena , Philips-Research-Wissenschaftler aus Eindhoven und Forscher der niederländischen Utrecht University hatten verschiedene

Kugelanordnungen in quadratmillimeter-kleinen amorphen Siliziumdünnschichtzellen getestet: verteilt auf der Oberfläche, auf dem Rückkontakt und zwischen n- und p-dotiertem Material (siehe Grafik). Ganz gleich, wo die Minikugeln saßen, konnten sie den Wirkungsgrad steigern, im besten Fall um gut 30 Prozent von 4,8 auf 6,6 Prozent – mehr, als man mit texturierten Gläsern erreichen kann. Jetzt wollen die Forscher herausfinden, welche Anordnungsmuster, Teilchendurchmesser und Materialien am besten funktionieren.

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Je mehr verschiedene Halbleiter zum Einsatz kommen, desto höher ist der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad. „Das reicht von 31 Prozent bei einem Halbleiter und standardisiertem Sonnenlichtspektrum bis zu über 50 Prozent bei vier verschiedenen Halbleitermaterialien“, sagt Haverkort. Die herkömmlichen Galliumarsenid-Dünnschichtzellen, die in konzentrierter Photovoltaik eingesetzt werden, haben zurzeit einen Wirkungsgrad von knapp über 40 Prozent. „Wir rechnen damit, dass die Nanodrahtzellen die klassischen Dünnschichtzellen dort ablösen, sobald sie einen Wirkungsgrad über 40 Prozent erreicht haben“, sagt Haverkort deshalb.

Mehr Traum als Realität

Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg. Fritz Falk vom Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena steht solchen Ankündigungen eher skeptisch gegenüber „Ich wäre froh, wenn ich Nanodrähte aus nur einem Hableitermaterial zuverlässig in den Griff bekommen würde“, sagt er. „Wir sind heute etwa da, wo die klassische Siliziumphotovoltaik in den 50er Jahren war.“ Falk arbeitet vor allem an Solarzellen aus Silizium-Nanodrähten und ist an zwei EU-Projekten beteiligt. Seine Zellen bringenmittlerweile Wirkungsgrade von sieben Prozent. Theoretisch lassen sich zwar nicht so hohe Wirkungsgrade erreichen wie mit den Zellen aus mehreren Verbindungshalbleitern. „Möglich ist aber, dass wir am Ende Zellen haben, die deutlich billiger als Dünnschichtzellen und mit einem Wirkungsgrad von über zehn Prozent mehr als ebenbürtig sind“, meint er.

Ein großes Problem der Nanodrähte, ob nun aus Silizium oder aus Verbindungshalbleitern, ist Falk zufolge ihre riesige Oberfläche. Hier sind chemische Bindungen häufig unvollständig und werden zur Falle für angeregte Elektronen. „Deshalb müssen die Drähte mit geeigneten passivierenden Schichten überzogen werden“, sagt er. Schwierig sei es zurzeit auch noch, die Maße der Nanodrähte genau einzustellen und durch Zugabe von Dotiergasen eine homogene Dotierung zu erreichen. Unklar ist zudem, ob die unterschiedlich dotierten Materialien in jedem Draht besser vertikal übereinander oder als Kern und Hülle angeordnet sein sollten. Liegen sie übereinander, ist der Weg der im Grenzbereich erzeugten Ladungsträger zu den Kontakten länger. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen an Bindungslücken im Kristall hängen und so auf der Strecke bleiben. Im Kern-Hülle-Konzept sind die Wege der Ladungsträger kürzer. Dafür ist die Grenzfläche zwischen negativ und positiv dotiertem Material deutlich größer. Auch hier können unvollständige Bindungen die angeregten Elektronen einfangen, die dann für die Stromproduktion nicht mehr zur Verfügung stehen. Gerade experimentieren die Forscher zunehmend mit dem Kern-Hülle-Konzept. „Das letzte Wort ist dazu aber noch nicht gesprochen“, ist Falk überzeugt.

Nicht einmal über die Idealmaße der Photovoltaikdrähte sind sich die Wissenschaftler einig. Während die meisten auf Durchmesser von weniger als 100 Nanometer setzen, favorisiert der Caltech-Forscher Michael Kelzenberg dickere Drähte. Seinen computergestützten Berechnungen zufolge beträgt der optimale Drahtdurchmesser mehrere Mikrometer. Warum sich die meisten Forscher dennoch auf das Nanoformat konzentrieren? Falk zufolge lassen sich die schlankeren Drähte leichter herstellen, und er geht davon aus, dass in den Nanodrahtteppichen noch mehr Licht gefangen werden kann. Nicht zuletzt könnte aber noch ein Faktor ganz anderer Art eine Rolle spielen. „Eine treibende Kraft in der Wissenschaft sind immer auch Moden“, sagt der Forscher aus Jena. „Und jetzt ist gerade ‚nano‘ Mode.“ Ob sie sich durchsetzt, bleibt abzuwarten.

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