Photovoltaik-Forschung: Fraunhofer-Experten verdoppeln den Wirkungsgrad von Solarzellen aus Schwarzem Silizium

Anders bei Solarzellen aus so genanntem Schwarzem Silizium: Sie nutzen auch diesen Teil des Sonnenspektrums. Forscher konnten den Wirkungsgrad dieser Zellen nun verdoppeln, berichtet die Fraunhofer-Projektgruppe für Faseroptische Sensorsysteme HHI-FS.
Schwarzes Silizium nutzt das komplette Sonnenlicht und wandelt auch die Infrarotstrahlung nahezu vollständig um. Was sich hinter diesem Material verbirgt, erläutert Dr. Stefan Kontermann, Gruppenleiter der Fraunhofer-Projektgruppe Faseroptische Sensorsysteme des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI.

Mehr Solarstrom aus dem infraroten Teil des Sonnenlichts
„Schwarzes Silizium erhält man, indem man übliches Silizium unter Schwefelatmosphäre mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt. Die Oberfläche wird aufgeraut, einzelne Schwefelatome werden in das Siliziumgitter eingebaut und das Material erscheint schwarz." Würde man Solarzellen mit diesem Schwarzen Silizium ausstatten, wäre ihr Wirkungsgrad deutlich höher, da sie das gesamte Sonnenspektrum nutzen.
Den Forschern am HHI ist es nun gelungen, den Wirkungsgrad von Solarzellen aus Schwarzem Silizium zu verdoppeln – also mehr Solarstrom aus dem infraroten Teil des Sonnenlichts zu produzieren.
„Das haben wir erreicht, indem wir die Pulsform des Lasers verändert haben, mit dem wir das Silizium bestrahlen", sagt Kontermann. So konnten die Wissenschaftler ein Problem lösen, dass das Schwarze Silizium birgt: Während das Infrarotlicht bei normalem Silizium nicht genügend Energie hat, die Elektronen in das „Leitungsband" zu heben und somit in den Stromkreislauf zu bringen, also in Strom umzuwandeln, bildet der eingebaute Schwefel beim Schwarzen Silizium eine Art Zwischenstufe.
„Wir haben den eingebauten Schwefel über die Laserphotonen so verändert, dass möglichst viele Elektronen hinaufkommen können, aber möglichst wenig wieder hinuntergelangen“, erklärt Kontermann.

Preisgekröntes Projekt
Im ersten Schritt haben die Wissenschaftler die Laserpulse geändert und untersucht, wie sich die Materialeigenschaften von Schwarzem Silizium sowie der Wirkungsgrad von Solarzellen aus diesem Material ändern. Nun arbeiten sie daran, verschiedene Laserpulse einzusetzen und zu analysieren, wie sich die Energieniveaus des Schwefels ändern. Künftig soll ein System von Algorithmen automatisch herausfinden, wie der Laserpuls verändert werden muss, um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Das Projekt „Maßgeschneiderte Lichtpulse“ gehört zu den diesjährigen Preisträgern im Wettbewerb „365 Orte im Land der Ideen“, die Auszeichnung findet am 11. Oktober 2012 in Goslar statt.

Prototypen sollen mit kommerzieller Technologie verbunden werden
Prototypen der schwarzen Silizium-Solarzellen konnten die Forscher bereits herstellen. In einem nächsten Schritt wollen sie diese Zellen mit der kommerziellen Technologie vereinen.
„Wir hoffen, den Wirkungsgrad kommerzieller Solarzellen, der momentan bei etwa 17% liegt, um 1% erhöhen zu können, indem wir sie mit Schwarzem Silizium kombinieren“, sagt Kontermann.

Ausgründung geplant
Ausgangspunkt soll eine handelsübliche Solarzelle sein, von der die Experten die Rückseite entfernen und teilweise mit Schwarzem Silizium beschreiben – somit entsteht eine Tandem-Solarzelle, die normales und Schwarzes Silizium enthält. Weiterhin planen die Wissenschaftler eine Ausgründung: In dieser Firma wollen sie die Laseranlage vermarkten, mit der Hersteller ihre bestehenden Solarzellenlinien erweitern können. Diese wären dann in der Lage, das Schwarze Silizium selbst zu produzieren und serienmäßig in die Zellen einzubauen.

02.10.2012 | Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH