Innovationspreis für Schwarze Super-Solarzellen

Herkömmliches Silizium mit glatter Oberflächenstruktur im Versuchsaufbau

Die Initiative „Deutschland – Land der Ideen“ hat ein neues Herstellungsverfahren für Solarzellen ausgezeichnet. Die Fraunhofer Projektgruppe Faseroptische Sensorsysteme wurde für ihr Projekt „Maßgeschneiderte Lichtimpulse“ auf dem EnergieCampus in Goslar zum „Ausgewählten Ort 2012“ im Wettbewerb „365 Orte im Land der Ideen“ gewählt. Ausgezeichnet werden die Wissenschaftler des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts für die Entwicklung eines neuen Verfahrens, das die Eigenschaften von Solarzellen optimiert.

Herkömmliche Solarzellen wandeln etwa drei Viertel des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Ein Teil des Sonnenlichts, die sogenannte Infrarot- oder Wärmestrahlung – bleibt ungenutzt. Forscher des Fraunhofer-Heinrich-Hertz-Institut HHI fanden nun heraus, dass sich Silizium, das Grundmaterial vieler Solarzellen, durch Laserimpulse in schwarzes Silizium verwandelt, das wesentlich effektiver ist als herkömmliches Silizium.

Dr. Stefan Kontermann von der Fraunhofer-Projektgruppe Faseroptische Sensorsysteme des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, erklärt das Prinzip: „Schwarzes Silizium erhält man, indem man übliches Silizium unter Schwefelatmosphäre mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt“, es also maßgeschneiderten Laserimpulsen aussetzt. Die Oberfläche wird aufgeraut, einzelne Schwefelatome werden in das Siliziumgitter eingebaut und das Material erscheint schwarz. Diese Behandlung verschafft dem Silizium drei neue Eigenschaften: Abgesehen davon, dass die Zellen nun auch den Infrarotbereich des Sonnenspektrums ausnutzen können und sich ihr Wirkungsgrad damit um 25 Prozent steigert, ergibt sich auch eine extrem geringe Oberflächenreflexion. Außerdem ist es gelungen, die benötigten Schwefelatome direkt in die Solarzellen einzubauen.

Entwicklung erhöht Wirkungsgrad herkömmlicher Solarzellen

Die Wissenschaftler konnten den Wirkungsgrad von Solarzellen aus schwarzem Silizium verdoppeln, also mehr Strom aus dem infraroten Bereich des Sonnenlichts produzieren. Das schafften sie, indem sie die Pulsform des Lasers verändert haben, mit dem das Silizium bestrahlt wird. Sie konnten ein wichtiges Problem lösen, das mit schwarzem Silizium verbunden ist: Die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom erfolgt durch komplizierte elektrochemische Vorgänge. Herkömmliches Silizium hat im Infrarotbereich nicht genügend Energie, die Elektronen in den Stromkreislauf zu bringen, also in Strom umzuwandeln. Schwarzes Silizium schafft dies zwar, allerdings gibt es dabei auch einen Stromverlust. Schwarze Siliziumzellen bilden quasi eine Art Zwischenstufe auf dem Weg zur vollständigen Ausnutzung des Sonnenspektrums. Die Fraunhofer-Forscher haben den Laserimpuls zur Siliziumbestrahlung nun so geändert, dass die Schwefelatome, die in das Atomgitter befördert werden, ihre Plätze dort ändern und somit die Stufen ihres Energieniveaus. Der Elektronenverlust wird dadurch gestoppt.

Die Fraunhofer-Forscher haben zunächst die Laserimpulse geändert und untersucht, wie sich dabei die Materialeigenschaften von schwarzenm Silizium und der Wirkungsgrad von Solarzellen ändern. Nun arbeiten sie daran, verschiedene Laserimpulse einzusetzen und zu analysieren, was künftig ein System von Algorithmen übernehmen soll. Die Forscher haben bereits Prototypen schwarzer Silizium-Solarzellen hergestellt. Nun sollen diese Zellen mit der kommerziellen Technologie vereint werden. Man hofft, den Wirkungsgrad herkömmlicher Solarzellen, der momentan bei etwa 17 Prozent liegt, um ein Prozent zu erhöhen, in dem sie mit schwarzem Silizium kombiniert werden. 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.

Zudem ist eine Ausgründung geplant: In einer externen Firma soll die Laseranlage vermarktet werden, mit der Hersteller ihre bestehenden Solarzellenlinien erweitern könne. Die Hersteller könnten ihr Schwarzes Silizium dann selbst produzieren und serienmäßig in die Zellen integrieren.

Josephin Lehnert

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