Mehr Solarstrom: Silizium-Nanostrukturen absorbieren effizient Sonnenlicht

Atlanta (USA) - Je weniger Sonnenlicht Solarzellen reflektieren, desto mehr Storm könnten sie prinzipiell erzeugen. Bisher nutzen Hersteller von Solarmodulen beispielsweise Antireflexbeschichtungen, die nachträglich auf die Zellen aufgebracht werden. Eine effizientere Methode fanden nun amerikanische Wissenschaftler, die mit Mikro- und Nanostrukturen die Lichtreflektion auf ein Minimum reduzieren konnten. Ihre Methode, die zusätzlich auch selbstreinigende Solarmodule verspricht, stellten sie in der Fachzeitschrift „Nano Energy“ vor.

„Lichtreflektion auf der Vorderseite von Solarzellen ist einer der wichtigsten Verlustmechanismen, die eine weitere Effizienzsteigerung limitiert“, erläutern Yan Liu und seine Kollegen vom Georgie Institute of Technology in Atlanta. Daher nutzten die Forscher eine Reihe von Ätzprozessen, um eine komplexe hierarchische Nanostruktur auf den Siliziumoberflächen zu schaffen. Da diese danach nur sehr wenig Licht reflektiert, wird dieses Material auch „Schwarzes Silizium“ genannt.

Um die Eigenschaften der speziell strukturierten Oberflächen zu untersuchen, wählte die Arbeitsgruppe Solarzellen aus monokristallinem Silizium. Zuerst ätzten sie mit einer Mischung aus Kalilauge und Alkohol 5 bis 25 Mikrometer feine Pyramiden in die Oberfläche. Durch diesen Prozess sank der durchschnittliche Reflektionsgrad über einen weiten Spektralbereich von Ultraviolett bis Infrarot von knapp 35 auf gut 11 Prozent. Je kleiner die Mikropyramiden struktuiert waren, desto besser konnte die Oberfläche Sonnenlicht reflektieren.

Noch bessere Ergebnisse wurden nach einem zweiten Ätzprozess erreicht, mit dem - unterstützt durch Nanoteilchen aus Gold - noch feinere Strukturen auf den Pyramidenflächen entstanden. An jeder Kontaktstelle zwischen Silizium und Gold-Nanoteilchen konnte eine Mischung aus Fluorsäure und Wasserstoffperoxid gezielt angreifen und binnen vier Minuten etwa zwei bis zehn Nanometer feine Klüfte in die Oberfläche ätzen. Nach dem Ätzprozess wurden die überflüssigen Goldpartikel mit einer Waschlösung beseitigt. Die entstandene hierarchisch aufgebaute Mikro-Nanostruktur reduzierte den gemittelten Reflektionsgrad deutlich auf nur noch 1,4 Prozent.

Die im Rahmen dieser Untersuchungen entstandenen Solarzell-Prototypen erreichten maximal zwar nur einen Wirkungsgrad von 16,5 Prozent. Doch übertragen auf bessere monokristalline Siliziumzellen, die heute mehr als 25 Prozent Sonnenlicht in Strom umwandeln können, versprechen die neuen Antireflektionsschichten weitere Steigerungsmöglichkeiten für den Wirkungsgrad. Für den Praxiseinsatz relevant zeigte sich zudem die Beschichtung dieser Solarzellen mit einer stark Wasser abweisenden Substanz. Ohne den Wirkungsgrad zu beeinflussen, blieben auf der nanostrukturierten und beschichteten Fläche keine Wassertropfen mehr haften. Beim Abperlen könnte das Wasser so leicht Verunreinigungen abwaschen. Diese Art der Selbstreinigung hat das Potenzial, die Wartungskosten großer Solarparks deutlich zu senken. Nun bleibt abzuwarten, ob und wann Hersteller von Solarzellen diese Ätzmethode für nanostrukturierte Oberflächen aufgreifen und an ihre Produktionsprozesse anpassen werden.