Solarzellen-Forschung Höherer Wirkungsgrad dank löslicher Silizium-Cluster

Doktorand Kevin Frankiewicz forscht im Labor von Prof. Dr. Thomas Fässler mit neunatomigen Silizium-Clustern, gelöst in flüssigem Ammoniak.
Doktorand Kevin Frankiewicz forscht im Labor von Prof. Dr. Thomas Fässler mit neunatomigen Silizium-Clustern, gelöst in flüssigem Ammoniak.

Solarzellen sollen einen großen Beitrag zur Energiewende leisten. Der Wirkungsgrad der Module ist jedoch noch nicht so hoch, wie er theoretisch möglich wäre. Ändern könnte das eine Entdeckung von Forschern der TU München.

Silizium-Solarzellen besitzen derzeit einen Wirkungsgrad von 24 Prozent, die theoretische Grenze liegt bei etwa 29 Prozent. Das liegt an der indirekten Bandlücke, die das kristallisierende Silizium in der Diamantstruktur nutzen kann. Könnten Silizium-Atome so angeordnet werden, dass eine direkte Bandlücke entsteht, wären kleinere Silizium-Cluster möglich. Bisher waren solche Cluster jedoch nicht in löslicher Form herstellbar, was jedoch die Voraussetzung für eine Verarbeitung darstellt. Mit den modifizierten Silizium-Clustern wären größere Wirkungsgrade von Solarzellen möglich. Forscher der technischen Universität München (TUM) haben nun einen einfachen Syntheseweg zum Herstellen solcher Cluster entdeckt.

Zusammenfügen der Atome

Forschungsleiter Prof. Thomas Fässler erklärt: »Gezielt können wir derzeit in wenigen Syntheseschritten vier und neun Silizium-Atome zu Tetraedern beziehungsweise einer fast kugelförmigen Struktur zusammenfügen«.

Beim Zusammenschmelzen von Kalium und Silizium entsteht eine Verbindung aus 12 Kalium- und 17 Silizium-Atomen, ein graues Pulver. Mit einem Trick gelang es dem Teammitglied Lorenz Schiegerl in flüssigem Ammoniak die löslichen, neunatomigen Cluster zu stabilisieren. Zum Ammoniak gab er ein organisches Molekül hinzu, das die Kalium-Atome einschließt. Mit der Methode eröffnet sich ein Weg zu vielfältigen chemischen Experimenten mit den Clustern.

Aufbau neuer Strukturen

Vielversprechend ist ein Reaktionsweg zu Verbindungen des Silizium-Clusters, bei denen drei der neun Atome sich mit Molekülen verbinden, die wiederum Silizium, Kohlenstoff oder Zinn enthalten. In den Lösungen liegen die zurzeit siliziumreichsten, bekannten Cluster vor. Hiermit eröffnen sich neue Möglichkeiten Silizium mit modifizierten Strukturen aus der Lösung abzuscheiden. »Denkt man den Weg weiter, sollten auch Kopplungen der Cluster möglich sein, um größere Silizium-Strukturen aufzubauen, sagt Fässler. Mit der Methode ist der erste Schritt zum Herstellen von Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad gemacht.