Schwarzes Silizium erhöht Wirkungsgrad von Solarzellen

Über ein Drittel der weltweit aus Solarstrom-Anlagen gewonnenen Energie wird in Deutschland produziert. Ein Kritikpunkt, den sich die Photovoltaik dabei jedoch immer wieder gefallen lassen muss, ist der Wirkungsgrad der Zellen. Ein weiterer Schritt zur Verbesserung dieses Wirkungsgrades scheint Forschern des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institutes (HHI) gelungen zu sein: Schwarzes Silizium schafft es, auch die Wärmestrahlung der Sonne zu nutzen.

Herstellung durch Schwefel-Laserbehandlung

Bisherige Solarzellen konnten nur drei Viertel der Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln. Dabei ging das verbleibende Viertel, die Infrarotstrahlung, verloren. Schwarzes Silizium hingegen erweitert den Erfolg bisheriger Silizium-Zellen um genau diese Strahlung. Gewonnen wird es durch eine besondere Behandlung mit einem Laser: „Schwarzes Silizium erhält man, indem man übliches Silizium unter Schwefelatmosphäre mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt. Die Oberfläche wird aufgeraut, einzelne Schwefelatome in das Siliziumgitter eingebaut und das Material erscheint schwarz.“, so Dr. Stefan Kontermann, Gruppenleiter der Fraunhofer-Projektgruppe Faseroptische Sensorsysteme des HHI. Solarzellen mit Schwarzem Silizium könnten so ihren Wirkungsgrad deutlich erhöhen.

Mauerbau in Miniaturform

Um den Wirkungsgrad von Solarzellen aus Schwarzem Silizum weiter zu erhöhen, wurde die Pulsform des Lasers, mit dem das Silizum bestrahlt wurde, verändert. So schwächten sie ein Problem des bisherigen Schwarzen Siliziums deutlich ab: Der Schwefel in diesem Silizium sorgt dafür, dass die gewonnen Elektronen nach oben und so zur Stromgewinnung transportiert werden können – als ob sie auf eine Mauer gehoben werden. Während bei normalem Silizium das Infrarotlicht nicht die nötige Energie besitzt, um umgesetzt zu werden, übernimmt der Schwefel im Schwarzen Silizium die Aufgabe einer Zwischenstufe. Problematisch war bisher allerdings, dass diese Zwischenstufe nicht nur die Abgabe von Elektronen, sondern auch die Wiederaufnahme selbiger erleichterte – der gewonnene Strom geht wieder verloren. Ein veränderter Laserpuls brachte laut Kontermann die Lösung: „Wir haben den eingebauten Schwefel über die Laserphotonen so verändert, dass möglichst viele Elektronen hinaufkommen können, aber möglichst wenig wieder hinuntergelangen.“

Suche nach dem optimalen Laserpuls

Um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, werden die Laserpulse nun immer wieder verändert, um die Unterschiede im Material und im erreichten Wirkungsgrad zu untersuchen. In Zukunft soll dies ein Algorithmen-System übernehmen. Prototypen von Solarzellen aus Schwarzem Silizium konnten die Forscher bereits produzieren. Das Nah-Ziel definiert Kontermann so: „Wir hoffen, den Wirkungsgrad kommerzieller Solarzellen, der momentan bei etwa 17 Prozent liegt, um ein Prozent erhöhen zu können, indem wir sie mit Schwarzem Silizium kombinieren.“ In Zukunft sollen also Zellen aus bisheriger Produktion mit Schwarzem Silizium kombiniert werden. So entsteht eine Tandem-Zelle. Zudem ist geplant, die Laseranlage über eine Ausgründung zu vermarkten und Herstellern so zu ermöglichen, Schwarzes Silizium für die Eigenproduktion herzustellen und damit für die Photovoltaik-Serienproduktion zu öffnen. Das unter dem Namen „Maßgeschneiderte Lichtpulse“ laufende Projekt wird am 11. Oktober 2012 in Goslar als einer der Preisträger im Wettbewerb „365 Orte im Land der Ideen“ ausgezeichnet.

Quelle: Fraunhofer

Simon Edel

Journalist, PR- und Marketingmanager, Blogger bei Milk the Sun.