Nanokristall-Solarzellen ETH Zürich entschlüsselt Elektronenfluss

Ein von den ETH-Forschenden hergestellter Solarzellen-Chip auf der Grundlage von Nanokristallen.
Ein von den ETH-Forschenden hergestellter Solarzellen-Chip auf der Grundlage von Nanokristallen.

Nanokristall-Solarzellen sind eine relativ neue Technologie, in der noch viele Fragen offen sind. Um hier den Wirkungsgrad steigern zu können und so eine kommerzielle Nutzung zu ermöglichen, muss zuerst der Elektronenfluss entschlüsselt werden. Jetzt gelang Forschern ein Quantensprung.

Die Technologien zu Erneuerbare Energien werden stetig weiterentwickelt. In der Solarzellenforschung erfreuen sich Nanokristall-Solarzellen wachsender Beliebtheit. Solche Zellen bestehen aus einer Großzahl an wenigen Nanometer kleine, unabhängige Kristalle, die mit einem molekularen Bindemittel miteinander verbunden sind. Ein Grund für ihre große Beliebtheit ist, dass bei Nanokristallen quantenphysikalische Effekte zum Tragen kommen, die bei größeren Kristallen keien Rolle spielen. Beispielsweise sind bei sehr kleinen Kristallen wichtige physikalische Eigenschaften von der Kristallgröße abhängig.

Und genau hier liegt der Grund für das große Potential dieser Technologie: Die Kristallgröße lässt sich im Herstellungsprozess steuern. Die Wissenschaftler können also die Eigenschaften der Nanokristall-Halbleiter, z.B. wie viel des einfallenden Lichts vom Halbleiter absorbiert und zu Strom umgewandelt wird, beeinflussen und damit optimal auf deren Anwendung in der Solartechnologie ausrichten.

Höhere Lichtausbeute und dünnere Solarzellen möglich

Außerdem absorbieren Nanokristall-Halbleiter sehr viel mehr Sonnenlicht als klassische Silizium-Halbleiter. Das Halbleitermaterial Bleisulfid, das die Forscher für ihre experimentelle Arbeit verwendeten, hat im Vergleich dazu z.B. eine um mehrere Größenordnungen höhere Absorption. Daher reicht für die Herstellung dieser Nanokristall-Solarzellen wenig Material aus – folglich ist es möglich, damit sehr dünne und flexible Solarzellen zu bauen.

Allerdings lässt der Wirkungsgrad dieser Nanokristall-Solarzellen nach oben noch Platz zur Optimierung: Innerhalb dieses Kompositmaterials ist der Ladungstransport noch nicht so gut, wie es für eine kommerzielle Anwendung nötig wäre; im Moment liegt der Wirkungsgrad etwa bei 9 %. Der Elektronenfluss innerhalb des Nanokristall-Kompositen war noch nicht komplett verstanden und so die systematische Weiterentwicklung schwierig.

Hier haben Forscher der ETH Zürich nun einen Durchbruch errungen.