Einen wichtigen Ansatzpunkt, um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern, bieten ihre Absorptionseigenschaften. Yi Cui von der Stanford University in Kalifornien und seine Mitarbeiter haben deshalb eine nur wenige Nanometer dicke Siliziumstruktur als Basis für Dünnschichtsolarzellen entwickelt, die das einfallende Licht nicht nur effektiver nutzt, sondern auch noch Material und Produktionszeit einspart.

Die neuartige Beschichtung besteht aus einer Anordnung von winzigen, kugelförmigen Siliziumschalen. Durch diese tritt das Licht nicht einfach hindurch, berichten die Forscher, sondern es wird im Inneren der Kugeln eingefangen. Vergleichbar sei das Prinzip mit einem Flüstergewölbe – einer speziellen Architektur, wie man sie etwa in einigen Kirchen findet, dank der man sich problemlos über große Entfernungen und das sogar in Flüsterlautstärke unterhalten kann.

Mit ihrer besonderen Geometrie bilden die Schalen gewissermaßen das optische Pendant: In ihrem Inneren kommt es zu Resonanzen, die die vom Licht im fotovoltaisch aktiven Medium zurückgelegte Strecke um ein Vielfaches verlängern. Je länger die Wissenschaftler das Licht auf diese Weise in der Struktur halten können, desto besser fällt die Lichtabsorption aus. Dazu stellten sie zunächst winzige Kugeln aus Siliziumdioxid – aus dem zum Beispiel auch Glas besteht – her, platzierten diese auf einem Substrat und überzogen sie mit nanokristallinem Silizium. Anschließend ätzten sie das Siliziumdioxid mit Hilfe von Säure weg, so dass nur die nanometergroßen Siliziumhüllen auf dem Substrat zurückblieben.

In einem direkten Vergleich zeigen Cui und sein Team, dass es eine einzige, nur rund 50 Nanometer dicke Schicht aus solchen Nanohüllen mit einer einen Mikrometer dicken herkömmlichen Siliziumschicht in puncto Lichtabsorption aufnehmen kann. Legten die Wissenschaftler drei der Nanoschichten übereinander, absorbierte das Material in bestimmten Bereichen des Sonnenspektrums bis zu 75 Prozent des einfallenden Lichts.

Zudem biete die neue Struktur noch weitere Vorteile, schreiben die Forscher. Im Gegensatz zu konventionellen Siliziumvarianten umfasse sie beispielsweise einen breiteren Frequenzbereich und sei relativ unempfindlich, was den Winkel des einfallenden Lichts betrifft. Auf Grund der geringen Dicke lassen sich die Nanoschichten zudem biegen und drehen, ohne Schaden zu nehmen. Und nicht zuletzt erlaube der neue Ansatz erheblich kürzere Produktionszeiten und einen deutlich niedrigeren Materialeinsatz.