Neues Material verspricht bessere Solarzellen

12. Februar 2013, 21:58
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TU Wien: Ergebnisse aus Computersimulationen sollen nun in der Praxis getestet werden

Wien - Eine erst kürzlich entdeckte Materialklasse könnte sich für die Herstellung besserer Solarzellen eignen. Ein Forschungsteam an der Technischen Universität (TU) Wien hat gemeinsam mit Kollegen aus den USA und Deutschland anhand von Computersimulationen gezeigt, dass sich aus dünnsten Schichten verschiedener Sauerstoff-Verbindungen, sogenannte geschichtete Sauerstoff-Heterostrukturen, eine ganz neue, effizientere Klasse von ultradünnen Solarzellen bauen lässt. Ihre Forschungsergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Die Wissenschafter haben einzelne Atomlagen aus unterschiedlichen Sauerstoff-Verbindungen übereinander geschichtet. "Dabei entsteht ein Material, das ganz andere elektrische Eigenschaften als die einzelnen Verbindungen alleine haben kann", erklärte Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien am Dienstag in einer Aussendung. Mit Hilfe von Computersimulationen versuchen die Forscher, Materialvarianten mit präzise maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen. Dabei erkannten sie, welches Potenzial diese Strukturen für die Herstellung von Solarzellen haben.

Entscheidender Vorteil

Solarzellen basieren auf dem sogenannten "photoelektrischen Effekt". Demnach kann die Absorption eines Lichtteilchens dazu führen, dass Elektronen ihren Aufenthaltsort verlassen und elektrischer Strom zu fließen beginnt. Wird ein Elektron von seinem Platz entfernt, bleibt eine positiv geladene Stelle zurück, ein sogenanntes "Loch". Sowohl die negativ geladenen Elektronen als auch die positiv geladenen Löcher können zum Stromfluss beitragen.

"Wenn in einer Solarzelle allerdings Elektron und Loch nicht als Strom abtransportiert werden, sondern sich wieder vereinen, dann ist alles wieder wie vorher – die Energie kann nicht genutzt werden", erklärte TU-Forscher Elias Assmann. Der entscheidende Vorteil des neuen Materials ist "ein auf mikroskopischer Größenordnung herrschendes starkes elektrisches Feld, das Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen voneinander forttreibt", das steigere die Effizienz der Solarzelle.

Bei den verwendeten Sauerstoff-Verbindungen handelt es sich eigentlich um Isolatoren. Doch wenn man Schichten zweier geeigneter Isolatoren aufeinanderpackt, entwickelt das Material an den Grenzflächen oben und unten metallische Eigenschaften und leitet elektrischen Strom. "Dadurch kann man oben und unten die elektrischen Ladungsträger sehr einfach ableiten und Strom fließen lassen", erklärte Held. Bei herkömmlichen Solarzellen aus Silizium müsse man dagegen leitende Drähte aus Metall anbringen, um den Strom abzuführen - dadurch versperre man aber einem Teil des Sonnenlichts den Weg ins Innere der Solarzelle.

Geeignete chemische Elemente auswählen

Nicht alle Photonen werden von einer Solarzelle gleich effizient in elektrischen Strom umgewandelt. Für unterschiedliche Lichtfarben eignen sich jeweils andere Materialien besonders gut. Bei den Sauerstoff-Heterostrukturen kann man die gewünschten Eigenschaften durch geeignete chemische Elemente auswählen. So passen etwa Oxid-Schichten mit Lanthan und Vanadium besonders gut zur Strahlung der Sonne. "Es ist sogar möglich, verschiedene Schichttypen zu kombinieren, sodass unterschiedliche Lichtfarben optimal in unterschiedlichen Materialschichten in Strom verwandelt werden können", erklärte Assmann.

An der Universität Würzburg, einem Kooperationspartner in dem Projekt, sollen nun die neuen Solarzellen gebaut und getestet werden. "Die Produktion der Solarzellen aus Oxid-Schichten ist aufwändiger als bei herkömmlichen Solarzellen aus Silizium. Doch zumindest dort, wo besonders hohe Energie-Effizienz oder minimale Dicke gefragt ist, sollten die neuen Strukturen die bisherigen Silizium-Zellen ersetzen können", sagte Held. (APA, 12.2.2013)

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