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Silizium-Nanokristalle für supereffiziente Solarzellen
Eine typische Solarzelle erzeugt nur ein Elektron pro Photon des einfallenden Sonnenlichts. Von einigen exotischen Materialien wird angenommen, dass sie mehrere Elektronen pro Photon produzieren, aber zum ersten Mal wurde der gleiche Effekt bei Silizium beobachtet. Forscher am Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL) in Golden, CO, zeigte, dass Silizium-Nanokristalle zwei oder drei Elektronen pro Photon von hochenergetischem Sonnenlicht produzieren können. Der Effekt könnte zu einem neuartigen Solarzellentyp führen, der sowohl billig als auch mehr als doppelt so effizient ist wie die heute übliche Photovoltaik.
Aufgekochtes Silizium: Eine mikroskopische Aufnahme eines sieben Nanometer großen Stücks kristallinen Siliziums, das als Nanokristall oder Quantenpunkt bezeichnet wird. Solche Strukturen könnten die Effizienz von Solarzellen dramatisch steigern.
Wie in früheren Arbeiten mit anderen Materialien stammen die zusätzlichen Elektronen von Photonen des blauen und ultravioletten Lichts, die viel mehr Energie haben als die des restlichen Sonnenspektrums, insbesondere rotes und infrarotes Licht. In den meisten Solarzellen wird die zusätzliche Energie des blauen und ultravioletten Lichts als Wärme verschwendet. Aber die geringe Größe nanoskaliger Kristalle, auch Quantenpunkte genannt, führt zu neuartigen quantenmechanischen Effekten, die diese Energie stattdessen in Elektronen umwandeln.
Durch die Erzeugung mehrerer Elektronen aus hochenergetischen Photonen könnten Solarzellen aus Silizium-Nanokristallen theoretisch mehr als 40 Prozent der Energie des Lichts in elektrische Energie umwandeln, sagt Arthur Nozik, Senior Research Fellow am NREL. Im Gegensatz dazu sind die heutigen Flachdach-Solarmodule bestenfalls knapp über 20 Prozent effizient und sind theoretisch auf etwa 30 Prozent begrenzt. Die Konzentration des Sonnenlichts mit Spiegeln oder Linsen könnte diesen Wert auf etwa 40 Prozent erhöhen, aber der gleiche Ansatz könnte die Effizienz einer Silizium-Nanokristall-Solarzelle auf weit über 60 Prozent steigern, sagt Nozik.
Darüber hinaus könnten sich Solarzellen aus Silizium-Nanokristallen als günstig erweisen, was ihnen gegenüber anderen Ansätzen für hocheffiziente Solarzellen einen deutlichen Vorteil verschafft. Beispielsweise haben fortschrittliche Multijunction-Zellen Wirkungsgrade von mehr als 40 Prozent gezeigt. Diese erfordern jedoch komplizierte Herstellungsverfahren, die teure Halbleiter kombinieren, die für verschiedene Teile des Sonnenspektrums optimiert sind. Silizium-Nanokristalle sind dagegen relativ einfach herzustellen, selbst im Vergleich zu dem Material konventioneller Solarzellen, von denen die besten aus sehr großen Einkristallen aus Silizium bestehen.
Siliziumnanokristalle haben auch deutliche Vorteile gegenüber den anderen Nanokristallmaterialien, die den Multielektroneneffekt gezeigt haben. Einige dieser Materialien enthalten giftige Elemente wie Blei oder Cadmium, andere basieren auf Elementen wie Indium, die nur begrenzt verfügbar sind. Aber Silizium ist sowohl sicher als auch reichlich vorhanden. Es ist auch gut studiert, sagt Christiana Honsberg , Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Delaware, damit Ingenieure wissen, wie man damit Solarzellen herstellt. Tatsächlich ist Silizium aus den gleichen Gründen heute das bei weitem am häufigsten verwendete Material in Solarzellen und als Grundlage für einen breiteren Einsatz der Photovoltaik in der Zukunft attraktiv.
Vor der NREL-Arbeit hatten die Forscher geglaubt, dass Siliziumkristalle, die klein genug sind, um den Multielektroneneffekt zu erzeugen, als photovoltaisches Material unpraktisch sind. Auf der Nanoskala ändern sich die optischen Eigenschaften von Silizium, sodass weniger Licht vom roten Ende des Spektrums in Elektronen umgewandelt wird. Als Ergebnis würden alle Gewinne aus einer effizienteren Umwandlung von blauem und ultraviolettem Licht ausgeglichen. Nozik und seine Kollegen fanden heraus, dass die Nanokristalle nicht so klein sein mussten, wie bisher angenommen, und umgingen dieses Problem.
Sicherlich ist die NREL-Arbeit nur ein erster Schritt. Die Herstellung von Solarzellen, die die Mehrelektronenerzeugung nutzen, ist eine Herausforderung. Das liegt daran, dass die zusätzlichen Elektronen sehr kurzlebig sind, was es schwierig macht, sie aus den Nanokristallen zu extrahieren, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Dies hat sich in der Tat als so schwierig erwiesen, dass der Beweis für den Effekt eher durch indirekte Methoden wie die Spektroskopie als durch den von einer Solarzelle erzeugten Strom erbracht wurde. Die Anwendung der indirekten Maßnahmen hat einige prominente Experten dazu veranlasst, zu hinterfragen, ob die zusätzlichen Elektronen tatsächlich produziert werden, obwohl Nozik sagt, dass der Effekt mit mehreren Techniken bestätigt wurde. Nozik und seine Kollegen arbeiten jetzt daran, Solarzellen aus Silizium-Nanokristallen herzustellen – sie erforschen eine Reihe neuartiger Designs – und er sagt, dass sie kürzlich direkte Messungen durchgeführt haben, die zeigen, dass ihre Zellen mehrere Elektronen pro absorbiertem Photon freisetzen. (Ihre Ergebnisse müssen noch veröffentlicht werden.)
Honsberg ist vorsichtig optimistisch und bezeichnet die Entdeckung des Mehrelektroneneffekts in Silizium-Nanokristallen als Durchbruch, aber nur ein Durchbruch von vielleicht drei oder vier sei nötig, um billige, supereffiziente Solarzellen herzustellen.