News: Vielschichtige Solarzelle
Wer Strom ökologisch korrekt aus Sonnenlicht gewinnen will, muss tief in die Tasche greifen: Ein Quadratmeter Solarzellen kosten bis zu 1000 Euro. Nun ist möglicherweise eine günstigere Alternative in Sicht.
© (Ausschnitt)
Der Halbleiter Silicium könnte der Stoff sein, aus dem ökologische Träume gemacht sind: Es gibt ihn buchstäblich wie Sand am Meer – schließlich ist Sand nichts anderes als oxidiertes Silicium – und lässt sich im Gegensatz zu Wasserstoff und Erdöl leicht und gefahrlos transportieren. Und er bildet die Grundlage für Solarzellen, mit denen sich aus Sonnenlicht Strom gewinnen lässt.
Doch leider ist die Energieausbeute von Solarzellen immer noch ziemlich schlecht: Magere 13 bis 15 Prozent Wirkungsgrad erreichen bisherige Modelle. Und dabei werden höchste Anforderungen an den Halbleiter gestellt. Er muss das Licht absorbieren, Ladungsträger erzeugen, die Elektronen und Löcher voneinander trennen, die Ladungsträger zu den Stromkollektoren transportieren – und zwar alles gleichzeitig.
Dafür muss der Halbleiter sehr rein sein. Und diese Reinheit hat ihren Preis: Die entsprechenden Herstellungsprozesse sind energieintensiv, aufwändig und teuer. Kein Wunder, dass Wissenschaftler auf der ganzen Welt nach Alternativen und Verbesserungen forschen - so wie Eric McFarland und Jiang Tang von der University of California in Santa Barbara.
Bei ihrer Solarzelle setzen die Wissenschaftler auf Arbeitsteilung. So absorbiert eine mit Tinte überzogene Goldschicht das Licht, welches Elektronen aus den Tinten-Molekülen löst, die dann in die Goldlage wandern. Hinter dieser Schicht befindet sich eine Lage aus dem relativ günstigen Halbleiter Titandioxid - und die so genannte Schottky-Barriere: Denn da von dem Halbleiter spontan Elektronen in die Goldschicht fließen, ist das Titandioxid leicht positiv und damit abstoßend geladen. Dieses Potenzial muss aber erstmals überwunden werden, wenn aus Licht Strom werden soll. Und dazu brauchen die Elektronen Energie.
Haben es die Ladungen geschafft, durchqueren sie den Halbleiter und gelangen zur einer leitenden Titanium-Schicht, welche sie einsammelt und ihrer eigentlichen Bestimmung zuführt - zum Beispiel, eine Glühbirne zum Leuchten zu bringen. Scheitert ein Elektron wegen Energiemangels an der Schottky-Barriere, ist das auch nicht weiter schlimm. Denn dann fließt es in die Tintenschicht zurück und füllt die Moleküle wieder auf: Das Elektron wird recycelt.
McFarland und Tang haben gezeigt, dass diese Idee tatsächlich funktioniert. Allerdings liegt die Effizienz, mit der sie aus Licht Strom erzeugten, bei unter einem Prozent. Die Forscher glauben aber, dass diese Solarzelle in Zukunft dieselbe Ausbeute wie konventionelle Modelle erzielen könnte. Denn immerhin zehn Prozent, der in der Tintenschicht erzeugten Elektronen, schafften tatsächlich den Sprung über die Schottky-Barriere. Das ist überraschend viel, denn Tintenmoleküle auf Metallschichten sind eigentlich berüchtigt dafür, eher schlechte Photorezeptoren zu sein.
Warum es dennoch funktioniert, ist noch unklar. McFarland und Tung vermuten, dass es am Goldmetall liegt. In Edelmetallen können selbst relativ energiearme Elektronen fast ungebremst einen - zumindest für Elementarteilchen - weiten Weg zurücklegen. Möglicherweise bilden sich die Elektronen aber auch nicht in der Tinte, sondern erst in der Goldschicht und wandern dann von dort aus - also über eine Abkürzung - in das Titandioxid.
Die Aussichten für diese Zelle sehen jedenfalls vielversprechend aus. Allein schon die Steigerung der Elektronenausbeute aus dem Licht, verspricht eine deutliche Verbesserung der Effizienz. Aber das beste daran ist: Da andere Komponenten dieser neuartige Solarzelle dem Halbleiter einen Teil der Arbeit abnehmen, sind die Anforderungen an das Material auch nicht mehr so hoch: Es muss nicht mehr so rein und damit nicht mehr so teuer sein - nebenbei werden auch Energie und damit Kohlendioxid und sonstige Abfallprodukte eingespart.
Doch leider ist die Energieausbeute von Solarzellen immer noch ziemlich schlecht: Magere 13 bis 15 Prozent Wirkungsgrad erreichen bisherige Modelle. Und dabei werden höchste Anforderungen an den Halbleiter gestellt. Er muss das Licht absorbieren, Ladungsträger erzeugen, die Elektronen und Löcher voneinander trennen, die Ladungsträger zu den Stromkollektoren transportieren – und zwar alles gleichzeitig.
Dafür muss der Halbleiter sehr rein sein. Und diese Reinheit hat ihren Preis: Die entsprechenden Herstellungsprozesse sind energieintensiv, aufwändig und teuer. Kein Wunder, dass Wissenschaftler auf der ganzen Welt nach Alternativen und Verbesserungen forschen - so wie Eric McFarland und Jiang Tang von der University of California in Santa Barbara.
Bei ihrer Solarzelle setzen die Wissenschaftler auf Arbeitsteilung. So absorbiert eine mit Tinte überzogene Goldschicht das Licht, welches Elektronen aus den Tinten-Molekülen löst, die dann in die Goldlage wandern. Hinter dieser Schicht befindet sich eine Lage aus dem relativ günstigen Halbleiter Titandioxid - und die so genannte Schottky-Barriere: Denn da von dem Halbleiter spontan Elektronen in die Goldschicht fließen, ist das Titandioxid leicht positiv und damit abstoßend geladen. Dieses Potenzial muss aber erstmals überwunden werden, wenn aus Licht Strom werden soll. Und dazu brauchen die Elektronen Energie.
Haben es die Ladungen geschafft, durchqueren sie den Halbleiter und gelangen zur einer leitenden Titanium-Schicht, welche sie einsammelt und ihrer eigentlichen Bestimmung zuführt - zum Beispiel, eine Glühbirne zum Leuchten zu bringen. Scheitert ein Elektron wegen Energiemangels an der Schottky-Barriere, ist das auch nicht weiter schlimm. Denn dann fließt es in die Tintenschicht zurück und füllt die Moleküle wieder auf: Das Elektron wird recycelt.
McFarland und Tang haben gezeigt, dass diese Idee tatsächlich funktioniert. Allerdings liegt die Effizienz, mit der sie aus Licht Strom erzeugten, bei unter einem Prozent. Die Forscher glauben aber, dass diese Solarzelle in Zukunft dieselbe Ausbeute wie konventionelle Modelle erzielen könnte. Denn immerhin zehn Prozent, der in der Tintenschicht erzeugten Elektronen, schafften tatsächlich den Sprung über die Schottky-Barriere. Das ist überraschend viel, denn Tintenmoleküle auf Metallschichten sind eigentlich berüchtigt dafür, eher schlechte Photorezeptoren zu sein.
Warum es dennoch funktioniert, ist noch unklar. McFarland und Tung vermuten, dass es am Goldmetall liegt. In Edelmetallen können selbst relativ energiearme Elektronen fast ungebremst einen - zumindest für Elementarteilchen - weiten Weg zurücklegen. Möglicherweise bilden sich die Elektronen aber auch nicht in der Tinte, sondern erst in der Goldschicht und wandern dann von dort aus - also über eine Abkürzung - in das Titandioxid.
Die Aussichten für diese Zelle sehen jedenfalls vielversprechend aus. Allein schon die Steigerung der Elektronenausbeute aus dem Licht, verspricht eine deutliche Verbesserung der Effizienz. Aber das beste daran ist: Da andere Komponenten dieser neuartige Solarzelle dem Halbleiter einen Teil der Arbeit abnehmen, sind die Anforderungen an das Material auch nicht mehr so hoch: Es muss nicht mehr so rein und damit nicht mehr so teuer sein - nebenbei werden auch Energie und damit Kohlendioxid und sonstige Abfallprodukte eingespart.
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