Eine neue Material-Klasse könnte dabei helfen, effizientere Solarzellen zu bauen: Die ultradünnen, geschichteten Stapel der sogenannten Sauerstoff-Heterostrukturen sorgen dafür, dass die vom Sonnenlicht von ihren Plätzen vertriebenen Elektronen auch tatsächlich als Strom abfließen, statt wieder an ihren alten Platz zurück zu fallen. Zwar sei die Produktion solcher Solarzellen aus Oxidschichten aufwändiger als die von herkömmlichen Siliziumbasierten, dafür aber liefern sie überall dort mehr Strom, wo besonders dünne, effektive Panels gefragt sind, berichten die Forscher im Fachmagazin „Physical Review Letters“.
Das Grundprinzip der Solarzelle ist der photoelektrische Effekt, dessen einfachste Variante schon 1905 von Albert Einstein erklärt wurde: Wenn ein Lichtteilchen von einem Material absorbiert wird, kann das 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“, erklärt Erstautor Elias Assmann von der TU Wien.
Aus zwei Isolatoren wird ein Metall
Und genau hier setzt das von den Forschern untersuchte, neue Material an: „Der entscheidende Vorteil des neuen Materials ist: Hier herrscht auf mikroskopischen Größenordnungen ein starkes elektrisches Feld, das Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen voneinander forttreibt.“ Das steigert die Effizienz der Solarzelle. Im Prinzip bestehen die sogenannten Sauerstoff-Heterostruktur aus verschiedenen dünnen Schichten von unterschiedlichen Sauerstoff-Verbindungen. Diese Oxide sind eigentlich nichtleitende Isolatoren und wären daher normalerweise für Solarzellen ungeeignet.
Wenn man aber Schichten zweier geeignete Isolatoren aufeinanderpackt, entwickelt das Material an den Grenzflächen oben und unten erstaunlicherweise metallische Eigenschaften und leitet elektrischen Strom. „Das ist für uns von großer Bedeutung: Dadurch kann man oben und unten die elektrischen Ladungsträger sehr einfach ableiten und Strom fließen lassen“, sagt Mitautor Karsten Held. Bei herkömmlichen Solarzellen aus Silizium muss man leitende Drähte aus Metall anbringen, um den Strom abzuführen – dadurch versperrt man aber einem Teil des Sonnenlichts den Weg ins Innere der Solarzelle.
Maßgeschneidert für das Sonnenlicht
Ein weiterer Vorteil des neuen Materials: Bei herkömmlichen Solarzellen werden nicht alle Photonen gleich effizient in elektrischen Strom umgewandelt. Für unterschiedliche Lichtfarben sind jeweils unterschiedliche Materialien besonders gut geeignet. „Bei den Oxid-Heterostrukturen kann man passende Eigenschaften erzielen, indem man geeignete chemische Elemente auswählt“, erklärt Peter Blaha vom Institut für Materialchemie der TU Wien. In den Simulationsrechnungen analysierte das Team Oxid-Schichten mit Lanthan und Vanadium, weil die dadurch aufgebauten Materialien besonders gut zur Strahlung der Sonne passen. „Es ist sogar möglich, verschiedene Schichttypen zu kombinieren, sodass unterschiedliche Lichtfarben optimal in unterschiedlichen Materialschichten in Strom verwandelt werden können“, sagt Assmann.
An der Universität Würzburg sollen die neuen Solarzellen nun 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.“, ist Held zuversichtlich. (Physical Review Letters, 2013; doi: 10.1103/PhysRevLett.110.078701)
(TU Wien, 13.02.2013 – NPO)
