Mehr Solarstrom durch "lichtschluckende" Nanogitter

Dünne Sandwich-Zelle mit feinsten Gitterstrukturen minimiert Streuverluste und Reflexionen und verdreifacht Effizienz organischer Solarzellen – flexiblere Solarzellen werden möglich
Der Lichtverlust durch Reflexion an Oberfläche und Zwischenschichten ist beim herkömmlichen Solarzell-Aufbau (links) deutlich höher als bei der neuen Gitterstruktur aus Princeton (rechts).
Der Lichtverlust durch Reflexion an Oberfläche und Zwischenschichten ist beim herkömmlichen Solarzell-Aufbau (links) deutlich höher als bei der neuen Gitterstruktur aus Princeton (rechts).
© Karetnikov, Chou Lab, Princeton
Princeton (USA) - Um möglichst viel Licht in Solarzellen zu Strom zu wandeln, dürfen die Paneele möglichst wenig spiegeln und möglichst alles auftreffende Licht verwerten. Weil das mit üblichen Beschichtungen bislang nur teilweise gelingt, griffen US-Forscher jetzt zu feinsten Nano-Gittern aus Gold. Deren Öffnungen, kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, fingen die Sonnenstrahlen ein wie ein schwarzes Loch, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Optics Express“. Ihre neuartige Sandwichstruktur steigerte die Effizienz organischer Solarzellen um bis zu 175 Prozent. Besonders effizient, im Vergleich zu bisherigen Zellen, sammelte die Struktur seitlich einfallendes Licht. Außerdem erlaubt der Aufbau dünnere, flexiblere und günstigere organische Solarzellen. Das Forscherteam hält es für denkbar, mit der Methode auch die Effizienz herkömmlicher Solarzellen auf Silizium-Basis zu steigern. Sie tauften ihr Lochgitter-System „PlaCSH“ (Plasmonic Cavity with Subwavelength Hole-array).

„Im Experiment erreichten die PlaCSH-Solarzellen eine Absorption von bis zu 96 Prozent in einem breiten Wellenlängenspektrum und beinah unabhängig vom Einfallswinkel“, schreiben Stephen Y. Chou und Wei Ding vom NanoStructure Laboratory der Princeton University. Eine gewisse Effizienzsteigerung hatten sie von ihrem neuen Ansatz erwartet, doch die tatsächlich gemessenen Werte lagen noch darüber. Sie waren angetreten, die übliche transparente Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Elektrode zu ersetzen, die die Oberfläche in Dünnschicht-Solarzellen bildet. Darunter liegt die Strom erzeugende aktive Schicht der Solarzellen und darunter eine Metallelektrode. An allen drei Grenzschichten reflektieren Solarzellen einen Teil des Lichtes wieder hinaus, umso mehr bei flachem Einfallswinkel. Diese Streuverluste fehlen bei der Energieumwandlung und senken den Effizienzwert.

Nur vier Prozent Verlust durch Reflexion erreichten Chou und Ding mit ihrem feinen Metallgitter. Nur 30 Nanometer hoch, mit Löchern von 175 Nanometern Durchmesser zwischen 25 Nanometer dünnen Stegen, ist das Gitter aus Gold rund zehntausendmal flacher als ein menschliches Haar. Gemeinsam mit der ebenfalls dünneren aktiven Zwischenschicht ist das ganze Sandwich nur halb so dick wie bei bisherigen organischen Solarzellen. Die kritischen Abmessungen des Systems sind damit kleiner als die Wellenlänge des zu sammelnden Lichts, so dass es ohne nennenswerte Reflexion auch unter flachem Einfallswinkel eingefangen wird und kaum wieder herauskommt. Bei direkter Lichteinstrahlung lag der Wirkungsgrad, mit dem die Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, 52 Prozent höher als üblich, bei seitlichem und diffusem Einfall wie bei Wolkenhimmel lag die Steigerung sogar bei 175 Prozent. Der Unterschied zeigt sich bereits mit bloßem Auge, weil die Gitter-Oberfläche nicht dunkel glänzt, sondern tiefschwarz und matt wirkt.

Einfach und bis in Tapetengröße sollen sich PlaCSH-Solarzellen herstellen lassen, berichtet Chou: Er nutzte zum Herstellen des Gitters sogenanntes „Nanodrucken“, das wie beim Zeitungsdrucken hauchfeine Nanostrukturen günstig auf großer Fläche aufbringt. Mit diesem Ersatz für die teure und sehr brüchige ITO-Schicht und flexiblem Kunststoff als photovoltaisch aktive Schicht – im Versuch eine 85 Nanometer dicke photoaktive Polymerlage (P3HT/PCBM) – dürften künftige Solarzellen auch deutlich großflächiger, biegsamer und unempfindlicher werden. Nach Aussage der Forscher wäre für die Zwischenschicht vermutlich auch jedes nicht organische Halbleitermaterial – etwa Silizium oder Galliumarsenid – geeignet. Derzeit arbeiten sie allerdings noch am Optimieren ihres anorganischen „Solar-Sandwichs“, um die höchstmögliche Effizienz zu erzielen. Denn bisher sind organische Solarzellen zwar einfacher und günstiger herzustellen als ihre Silizium-Konkurrenten, doch beim Wirkungsgrad hinken sie ihnen mit im Schnitt bislang 4 Prozent – statt im Schnitt 20 Prozent – noch deutlich hinterher.

© Wissenschaft aktuell
Quelle: „Ultrathin, high-efficiency, broad-band, omni-acceptance, organic solar cells enhanced by plasmonic cavity with subwavelength hole array“, Stephen Y. Chou & Wei Ding; Optics Express, DOI: 10.1364/OE.21.000A60


 

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