Startseite > Smarter World > Smart Energy > Solarzellen aus Schwarzem Silizium nutzen auch die Infrarotstrahlung

Prototypen gibt es bereits

Solarzellen aus Schwarzem Silizium nutzen auch die Infrarotstrahlung

1. Oktober 2012, 10:10 Uhr | Karin Zühlke

Schwarzes Silizium wird mit dem Laser bestrahlt. Kleines Foto: Schwarzes Silizium in der Vergrößerung.

Solarzellen wandeln drei Viertel der Sonnenenergie in elektrische Energie um – die Infrarotstrahlung dagegen, also die Wärmestrahlung, geht ungenutzt verloren. Anders bei Solarzellen aus Schwarzem Silizium: Sie nutzen auch diesen Teil des Sonnenspektrums. Forscher konnten den Wirkungsgrad dieser Zellen nun verdoppeln.

Die Sonne strahlt vom Himmel – und die Solarzellen auf den Dächern verwandeln diese Energie in Strom. Allerdings nur zum Teil: Mit der Infrarotstrahlung im Sonnenlicht, die rund ein Viertel des Spektrums ausmacht, können die Zellen nichts anfangen. Diese Wärmestrahlung geht ungenutzt verloren. Eine Alternative bietet Schwarzes Silizium: Es nutzt das komplette Sonnenlicht und wandelt auch die Infrarotstrahlung nahezu vollständig um.

Doch was verbirgt sich hinter diesem Material? »Schwarzes Silizium erhält man, indem man übliches Silizium unter Schwefelatmosphäre mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt«, sagt Dr. Stefan Kontermann, Gruppenleiter der Fraunhofer-Projektgruppe Faseroptische Sensorsysteme des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI. »Die Oberfläche wird aufgeraut, einzelne Schwefelatome 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 Strom 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, das 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. Man kann sich das so vorstellen, als wolle man auf eine Mauer steigen – einmal erfolglos, da die Mauer zu hoch ist, einmal in zwei Schritten über eine Zwischenstufe. Allerdings ermöglicht diese Zwischenstufe im Schwefel nicht nur, dass Elektronen auf die »Mauer« hinaufkommen können, sondern ebenso den umgekehrten Weg: Elektronen aus dem Leiterband springen über diese Stufe wieder zurück – der elektrische Strom geht wieder verloren. Ändern die Forscher nun den Laserpuls, der die Schwefelatome in das Atomgitter befördert, ändern sie auch die Plätze, die diese Atome dort einnehmen und die Höhe ihrer »Stufen«, also ihr Energieniveau. »Wir haben den eingebauten Schwefel über die Laserphotonen so verändert, dass möglichst viele Elektronen hinaufkommen können, aber möglichst wenig wieder hinuntergelangen«, fasst Kontermann zusammen.