Studie: Drei Kristallschichten sorgen für 1000 mal mehr Power in Solarzellen

Ferroelektrische Kristalle könnten in Zukunft für einen neuen Photovoltaik-Boost bei der Erzeugung sorgen. Wenn kristalline Schichten aus Barium-, Strontium- und Calciumtitanat, die sie abwechselnd in einer Gitterstruktur übereinandergelegt werden, dann lässt sich der photovoltaische Effekt in Solarzellen um den Faktor 1000 erhöhen, wie die Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) in einer Studie „Strongly enhanced and tunable photovoltaic effect in ferroelectric-paraelectric superlattices“ zeigen, die sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlichten. Diese Ergebnisse könnten zu deutlich höheren Effizienzen bei Solarmodulen beitragen.

Da der Wirkungsgrad kristalliner Photovoltaik-Produkte begrenzt ist, wird seit Jahren auch an Alternativen geforscht, die höhere Effizienzen ermöglichen. Die Universität in Halle-Wittenberg hat vor einigen Jahren mit den Arbeiten an solchen Materialien begonnen, darunter an Ferroelektrika, wie Bariumtitanat, einem Mischoxid aus Barium und Titan. „Ferroelektrisch bedeutet, dass das Material räumlich getrennte positive und negative Ladungen besitzt“, erklärt der Physiker Akash Bhatnagar vom Zentrum für Innovationskompetenz „SiLi-nano“ der MLU. „Die Ladungstrennung führt zu einer asymmetrischen Struktur, die eine Stromerzeugung unter Licht ermöglicht.“ Die ferroelektrischen Kristalle bräuchten für den photovoltaischen Effekt keinen pn-Übergang, also positiv oder negativ dotierte Schichten, wie sie in kristallinen Solarmodulen genutzt werden. Dies würde die Herstellung der Solarmodule wesentlich erleichtern, so die Forscher.

Allerdings kommt es auf die richtige Kombination verschiedener ferroelektrischer Kristalle an. So würde reines Bariumtitanat nur wenig Sonnenlicht absorbieren. Die Kombination in extrem dünnen Schichten dagegen würde die Ausbeute deutlich erhöhen. „Wichtig dabei ist, dass sich ein ferroelektrisches mit einem paraelektrischen Material abwechselt. Letzteres weist zwar keine getrennten Ladungen auf, kann unter bestimmten Bedingungen, etwa bei niedriger Temperatur oder leichten Modifikationen der chemischen Struktur, jedoch ferroelektrisch werden“, erklärt Bhatnagar. Zusätzlich verstärkt werde der photovoltaische Effekt, wenn sich die ferroelektrische Schicht nicht nur mit einer, sondern mit zwei verschiedenen paraelektrischen Schichten abwechsele. „Wir haben das Bariumtitanat zwischen Strontium- und Calciumtitanat eingebettet“, ergänzt Yeseul Yun, Doktorandin an der MLU und Erst-Autorin der Studie. „Dafür werden die Kristalle mit einem Hochleistungslaser verdampft und auf Trägersubstraten wieder abgelagert. Das so hergestellte Material besteht aus 500 Schichten und ist etwa 200 Nanometer dick.“

Für die photoelektrischen Messungen sei das Material mit Laserlicht bestrahlt worden. Im Vergleich zu reinem Bariumtitanat mit ähnlicher Dicke sei der Stromfluss bis zu 1000 mal stärker gewesen, obwohl der Anteil des Bariumtitanats als photoelektrische Hauptkomponente um fast zwei Drittel reduziert wurde. „Offenbar führt die Interaktion der Gitterschichten zu einer wesentlich höheren Permittivität – also dazu, dass die Elektronen aufgrund der Anregung durch die Lichtphotonen deutlich leichter abfließen können“, erklärt Akash Bhatnagar. Der Effekt sei zudem sehr beständig und über einen Zeitraum von sechs Monaten nahezu konstant geblieben.

Diese Ergebnisse überraschten sogar die Wissenschaftler selbst. Weitere Forschungen sollen nun zeigen, welche Ursachen genau für den überragenden photoelektrischen Effekt verantwortlich sind. Die Forschergruppe ist aber schon jetzt zuversichtlich, dass das demonstrierte Potenzial des neuen Konzepts für die praktische Anwendung in Solarmodulen genutzt werden kann. „Die Schichtstruktur zeigt in allen Temperaturbereichen eine höhere Ausbeute als ein reines Ferroelektrikum. Zudem sind die verwendeten Kristalle deutlich langlebiger und benötigen keine spezielle Verpackung“, so Bhatnagar.