Photovoltaik-Forschung: Nanoteilchen sollen noch dünnere und leistungsfähigere Solarzellen ermöglichen

Sie zeigte, dass die Nanoteilchen über ihre elektromagnetischen Nahfelder miteinander wechselwirken, so dass lokale „Hot Spots“ entstehen, an denen das Licht besonders stark konzentriert wird.
Die Arbeit wurde von den Europhysics News, dem Magazin der Europäischen Physikalischen Gesellschaft, als Highlight eingestuft und weist den Weg für das gezielte Design solcher Nanostrukturen.

Optimierte Nanostrukturen für mehr Solarstrom-Ertrag
Selbst bei Dünnschicht-Solarzellen sollen noch Material und damit Kosten gespart werden. So bestehen zum Beispiel Chalkopyrit-Zellen (CIGS) teilweise aus seltenen Elementen wie Indium und Gallium. Ist die aktive Schicht jedoch sehr dünn, absorbiert sie zu wenig Licht und der Wirkungsgrad sinkt. Nanostrukturen könnten das Licht im aktiven Material einfangen und so die Effizienz erhöhen. Diese Idee verfolgt Prof. Dr. Martina Schmid, die am HZB die Nachwuchsgruppe NanooptiX leitet und an der FU eine Juniorprofessur hat.
„Unser Ziel ist es, Nanostrukturen so zu optimieren, dass sie gezielt bestimmte Wellenlängen des Sonnenspektrums in die Zelle hineinstreuen“, erklärt Prof. Schmid.

Unregelmäßig verteilte Nanopartikel
Eine Option dafür sind einfache Nanostrukturen aus Metall-Partikeln, die sich selbst ausbilden, wenn man einen dünnen Metallfilm aufbringt und mit Wärme behandelt. Dafür beschichtete Martina Schmid zunächst ein Glassubstrat mit einem extrem dünnen Silberfilm (20 nm), den sie anschließend einer Wärmebehandlung unterzog. Dadurch bildeten sich unregelmäßige Silberpartikel mit Durchmessern um die 100 Nanometer.

Mit der „Lichtspitze“ über die Probe
Wie solche zufällig verteilten Nanopartikel den Lichteinfall auf eine darunterliegende Solarzelle beeinflussen, untersuchte Martina Schmid mit Kollegen am California Institute of Technology (CalTech).
Sie nutzten dafür eine besonders empfindliche Methode, der Rasternahfeld-Mikroskopie (SNOM): Dabei wird eine extrem feine Spitze über die Probe geführt, die zum einen wie bei der Rasterkraftmikroskopie die Topographie ermittelt, gleichzeitig aber auch durch einen winzigen Kanal in der Spitze die Probe lokal belichtet und optische Anregungen (Plasmonen) in den Nanopartikeln erzeugt. Diese optischen Anregungen können entweder das Licht wie gewünscht in die Solarzelle hineinkoppeln  – oder aber im Gegenteil in Wärme verwandeln, wodurch es für die Solarzelle verloren geht.

„Hot-Spots“ könnten die Energieumwandlung in der Solarzelle erhöhen
Es kommt auf die Nachbarschaft an: Wechselwirkungen bestimmen über die Streuung des Lichts. Die Messungen zeigten, dass es zwischen dicht benachbarten unregelmäßig verteilten Nanopartikeln starke Wechselwirkungen geben kann, was lokal zu „Hot Spots“ führt. „Während in den dunklen Regionen Licht verstärkt absorbiert und in Wärme umwandelt wird, zeigen die hellen „Hot-Spots“, wo die elektromagnetischen Felder von Nanopartikeln besonders stark wechselwirken. Dadurch könnte die Energieumwandlung in der Solarzelle erhöht werden“, erklärt Martina Schmid.
Letztendlich entstehen Bereiche sehr starker, aber auch Bereiche vergleichsweise schwacher Felder. Allerdings ist es schwierig, einen klaren Zusammenhang zwischen dem Auftreten dieser Hot Spots und bestimmten Nanopartikeln herzustellen.

Weitere Forschung nötig
„Die Teilchen wirken über ihre elektromagnetischen Nahfelder aufeinander ein, das ist deutlich komplexer als bislang vermutet. Wir müssen nun herausfinden, wie wir gezielt die gewünschten Feldverteilungen erzeugen können“, erklärt Martina Schmid.
Diese Fragen wird sie am HZB und an der Freien Universität Berlin zusammen mit der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Paul Fumagalli weiter untersuchen.

09.04.2014 | Quelle: Nachwuchsgruppe Nanooptische Konzepte am HZB | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH