Anomalen photovoltaischen Effekt mit Nanokomposit besser nutzbar machen

Mit einer neuen Bauweise will ein Forschungsteam unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (LMU) die Effizienz von speziellen Solarzellen verbessern, die den sogenannten anomalen photovoltaischen Effekt nutzen. Wie das Forschungsteam mitteilt, wird dabei die Flussrichtung des Stroms auf atomarer Ebene durch eine asymmetrische Kristallstruktur der entsprechenden Materialien vorgegeben. Solche Materialien seien in der Praxis häufig Oxide und hätten den Vorteil, leicht herstellbar und langlebig zu sein. Allerdings würden sie oft nur wenig Sonnenlicht absorbieren und hätten einen sehr hohen elektrischen Widerstand. „Um diese Materialien samt dem Effekt nutzbar zu machen, bedarf es kreativer Zellarchitekturen, um die Vorteile zu verstärken und Nachteile auszugleichen“, so Lutz Mühlenbein, Erstautor der jetzt dazu im Fachjournal „Nano Letters“ veröffentlichten Studie.

Dieser Studie zufolge können gezielt arrangierte Nanoblöcke – ein sogenanntes Nanokomposit – die Effizienz deutlich verbessern. In ihrem Versuch haben die Forschenden einzelne, wenige Nanometer dünne Schichten eines typischen Materials waagerecht übereinander gelegt und diese mit senkrecht dazu verlaufenden Nickeloxid-Streifen versetzt. „Diese Streifen sollen als Überholspur für die Elektronen fungieren, die bei Umwandlung von Sonnenlicht in Strom entstehen und die zur Elektrode in der Solarzelle gelangen sollen“, erklärt der Physiker Akash Bhatnagar vom Zentrum für Innovationskompetenz „SiLi-nano“ in Halle. Genau dieser Transport werde nämlich sonst dadurch behindert, dass die Elektronen jede einzelne horizontale Schicht durchqueren müssen.

Die Forschenden haben festgestellt, dass die neue Architektur die aus der Zelle nutzbare elektrische Leistung um das Fünffache steigert. Ein weiterer Vorteil der neuen Methode ist demnach, dass sie sehr leicht umzusetzen ist. „Das Material will selbst so wachsen, es baut sich von selbst in der gewünschten Struktur zusammen. Es sind keine extremen Bedingungen von außen nötig, um es in diesen Zustand zu zwingen“, so Mühlenbein. Die Idee soll sich auch auf andere Materialien statt Nickeloxid übertragen lassen. Folgestudien müssten nun klären, ob und wie die so gestalteten Solarzellen in einem industriellen Maßstab produziert werden können.