Effizientere Solarzellen für nördliche Länder entwickelt

In südlichen Breiten mit hoch stehender Sonne erzeugen Solarkraftwerke am effizientesten elektrischen Strom. Doch mit einer nanostrukturierten Oberfläche lässt sich der Wirkungsgrad der Solarzellen aus dem kristallinen Halbleiter Silizium auch in nördlichen Regionen steigern. Wissenschaftler aus Finnland und Spanien entwickelten dafür eine Zelle mit strukturierter, schwarz schimmernder Oberfläche, die selbst ohne zusätzliche Beschichtung kaum noch Sonnenlicht reflektiert. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, konnten sie die Verlustrate dieser Solarzellen deutlich reduzieren. Mit gut 22 Prozent Wirkungsgrad lieferten erste Prototypen bei flachem Lichteinfall drei Prozent mehr Strom als vergleichbare Solarzellen ohne nanostrukturierte Oberfläche.

Solarzelle aus Schwarzem Silizium

„Herkömmliche Antireflexbeschichtungen sind für senkrechten Einfall des Sonnenlichts auf die Solarzelle optimiert“, sagt Hele Savin von der Aalta Universität in Espoo nahe Helsinki. Ohne eine teure Mechanik, mit der die Module dem Sonnenlauf folgen können, könnten diese Zellen nur für eine kurze Zeit des Tages ihre bestmögliche Stromausbeute liefern. Dagegen wandeln Solarzellen mit nanostrukturierter Oberfläche – wegen ihrer Farbe „Schwarzes Silizium“ genannt – selbst bei flachem Lichteinfall das Sonnenlicht noch effizient um.

Dieser Vorteil von strukturierten Siliziumoberflächen ist schon länger bekannt. Doch hatten diese Solarzellen bisher einen gravierenden Nachteil: Ihr Wirkungsgrad war mit deutlich unter zwanzig Prozent relativ gering, da sich die für die photovoltaische Stromerzeugung wichtigen Elektron-Loch-Paare zu schnell wieder vereinten. Diese sogenannte Rekombination verhinderten Savin und ihre Kollegen mit einer hauchdünnen Schicht aus Aluminiumoxid. Dank dieser nur zwanzig millionstel Millimeter dünnen Schicht auf den zahlreichen Zacken der nanostrukturierten Oberfläche blieben die Elektron-Loch-Paare länger erhalten und konnten für die Stromerzeugung bis zu den angeschlossenen Elektroden wandern.

Um den Vorteil ihrer Solarzellen für nördliche Breiten zu belegen, verglichen die Forscher die Stromausbeute bei flachem Lichteinfall mit der von herkömmlichen Solarmodulen vergleichbarer Effizienz. Bei senkrechtem Lichteinfall lagen beide Zelltypen gleichauf. Doch traf das Sonnenlicht unter bis zu sechzig Grad flacheren Winkeln auf, lieferten die Zellen aus Schwarzem Silizium bis zu drei Prozent mehr Solarstrom. Vorteilhaft wirkte sich dabei auch der Aufbau der gesamten Solarzelle aus, bei der beide Elektroden von der Unterseite an die photovoltaisch aktiven Schichten geführt wurden.

Diese Arbeit könnte zu Solarzellen führen, die für besonders weit nördlich oder südlich vom Äquator gelegene Regionen wie Deutschland oder Skandinavien optimiert wären. Da sie auch aus dem weltweit dominierenden Werkstoff – kristallinem Silizium – bestehen, wäre eine günstige Massenfertigung möglich. Ausgehend von ihren ersten Studien wollen Savin und ihre Kollegen weitere Solarzellen mit nanostrukturierten, schwarzen Oberflächen entwickeln. Sie halten es für möglich, dass sich mit einem weiter optimierten Design der Solarzellen auch Wirkungsgrade deutlich über 23 Prozent erreichen ließen.