RSS | Newsletter | Über uns | Kontakt | Sitemap

Sie sind hier: Home » Solar & Geothermie » Aktuelles » Artikel » Mikrotrichter erhöhen Ausbeute von Solarzellen

Verfahren imitiert Lichtauswertung im Säugetier-Auge

Mikrotrichter erhöhen Ausbeute von Solarzellen

26.02.2015, 08:45

Vertikale Trichter im Siliziumsubstrat
Je spitzer der Trichter zuläuft, desto stärker ist auch das Licht konzentriert. © Helmholtz

Eine Biostruktur im Säugetierauge hat ein Team um Silke Christiansen inspiriert, ein anorganisches Pendant für den Einsatz in Solarzellen zu entwerfen. Mitten im Gelben Fleck der Netzhaut sitzt die Sehgrube, in der die trichterartigen, schlanken Farb-Sehzapfen ganz besonders dicht gepackt sind. Weil sie überdies eins zu eins mit Nervenzellen verschaltet sind, sehen wir in diesem kleinen Bereich ein maximal scharfes Bild. Diese dichtgepackte Zapfen-Struktur hat nun das Team um Professor Silke Christiansen dazu angeregt, eine ähnliche Struktur in Silizium nachzubilden und ihre Eignung als lichtsammelnde und -leitende Oberfläche für Solarzellen zu untersuchen. Christiansen leitet das Institut für Nanoarchitekturen für die Energiewandlung am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und eine Arbeitsgruppe am Max-Planck Institut für die Physik des Lichts (MPL).

Mit Hilfe etablierter halbleitertechnologischer Verfahren ätzten die Forscher dicht an dicht mikrometerfeine, vertikale Trichter in ein Siliziumsubstrat. Mit Modellrechnungen und im Experiment testeten sie, wie solche Trichterfelder das einfallende Licht sammeln und in die aktive Schicht einer Siliziumsolarzelle leiten. Durch diese Trichteranordnung steigt die Lichtabsorption in einer damit versehenen Dünnschichtsiliziumsolarzelle um 65 Prozent. Das erhöht den Wirkungsgrad.

Trichter fangen das Licht besser ein

"Wir haben in dieser Arbeit gezeigt, dass die Lichttrichter deutlich mehr Licht absorbieren als andere optische Architekturen, die in letzter Zeit getestet wurden", sagt Sebastian Schmitt, einer der beiden Erstautoren der Veröffentlichung, die im Nature Scientific Reports erschienen ist.

Wie groß die Auswirkung dieser Architektur war, überraschte die Forscherinnen und Forscher allerdings: So war aus früheren Untersuchungen bekannt, dass auch eine Architektur aus sehr dünnen Säulen oder auch Nanosäulen-Teppichen Licht gut absorbiert. Doch schon geringe Abweichungen von der Säulenform hin zum Trichter verstärkten die Absorption. Im Vergleich mit den Nanosäulen-Teppichen, die seit längerem untersucht werden, schneiden die Trichterfelder nochmals deutlich besser ab.

Dabei erfordert die Herstellung der Lichttrichter keinen besonderen Aufwand und ist mit herkömmlichen halbleitertechnologischen Verfahren wie dem reaktiven Ionenätzen oder nasschemischen Ätzprozessen machbar. Verglichen mit einem Silizium-Film gleicher Dicke steigert eine Schicht aus Lichttrichtern die Absorption von Sonnenlicht um 65 Prozent.

Absorption wird verstärkt

"Optische Moden in Nanosäulen stören sich gegenseitig, ein Feld von eng stehenden Nanosäulen nimmt dadurch also weniger effizient Licht auf, als dieselbe Zahl einzelner Nanosäulen es könnte. Bei den Lichttrichtern tritt das Gegenteil ein: Dicht benachbarte Lichttrichter verstärken ihre Absorption gegenseitig", erklärt Schmitt.

Christiansen und ihr Team arbeiten weiter an der Verbesserung von Dünnschichtsolarzellen auf Siliziumbasis und wollen die Trichter nun in robuste Zellkonzepte einbauen, die sich auch großflächig und kostengünstig realisieren lassen. Dabei können sie auf die Kompetenzen am PVCOMB des HZB zugreifen, wo die Abteilung um Professor Rutger Schlatmann sich auf Hoch-Skalierung von Labormustern spezialisiert hat und Machbarkeitsstudien für großflächige Solarzellen schnell und effizient umsetzen kann.

"In dieser Kooperation werden wir hoffentlich zeitnah mit einer 30cm x 30cm Trichtersolarzelle wieder von uns hören lassen. Sebastian Schmitt arbeitet aber auch an der Nutzung der Trichter für weitere photonische Anwendungen in LEDs und sensorischen Bauelementen. Erste Vorversuche sind so vielversprechend, dass wir zuversichtlich sind, dass diese Anwendungen kein Traum bleiben müssen", so Silke Christiansen. Quelle: HZB / pgl

Eine Verwendung dieses Textes durch Dritte ist kostenpflichtig. Eine Lizenzierung ist möglich. Bitte nehmen Sie bei Fragen Kontakt auf.

 

Kommentar schreiben

(wird nicht veröffentlicht)
Bitte geben Sie die angezeigte Zeichenfolge (Captcha) ein. Dies dient zur Vermeidung von unerwünschtem Spam.

Zurück

Premiumpartner