Nano-Spiegel soll ultradünne Solarzellen effizienter machen

Hauchdünne Solarzellen haben mehrere Vorteile: Sie brauchen weniger Material, lassen sich leicht in einem Druckverfahren herstellen und sind so flexibel, dass man sie auch auf gekrümmten Flächen installieren kann. Das Problem: Mit einem Wirkungsgrad von nur 5 bis 15 Prozent sind sie nicht besonders effizient. Normale PV-Module können 20 bis 25 Prozent des Sonnenlichts in Strom umwandeln.

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Ein Grund dafür ist die geringe Dicke der Zellen. Die Schicht, die das Licht absorbiert, ist nämlich so dünn, dass sie nicht genug Licht einfangen kann und Energie nach hinten entweicht. Spanische und schwedische Forscher haben nun einen Weg gefunden, um diesen Energieverlust zu minimieren. Sie betten eine ultradünne Goldschicht ein, die das Licht wie ein Spiegel zurück in die Solarzelle reflektiert. 

Günstiges Druckverfahren

Die 25 Nanometer dünnen Goldstrukturen wurden dabei mit einer einstufigen Nanoprägelithografie auf die Solarzelle "aufgedruckt". Bei der Nanoprägelithografie verwendet man eine Art Stempel, in dem die Nanostrukturen eingeätzt sind. Unter Hitze drückt man diesen Stempel auf die Solarzelle, wodurch die Strukturen entstehen. Die Technologie wird auch in der Chipfertigung verwendet, um Bauteile kostengünstig auf eine großen Fläche aufzudrucken.

Die Forscher vermieden dabei bewusst kostspielige mehrstufige Nanofabrikationsprozesse, die normalerweise verwendet werden. "Das ebnet den Weg für eine industrielle Serienfertigung", sagt Forscher Pedro Salomé in einer Aussendung.

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Als Solarzellen wurden ultradünne ACIGS-Zellen (Aluminium, Kupfer, Indium, Gallium und Selen) verwendet, die durch die Behandlung 1,5 Prozentpunkte beim Wirkungsgrad dazugewannen. "Damit kommen wir unserem Ziel näher, leichte, flexible Solarzellen herzustellen, die effizient genug für den Einsatz in der Praxis sind", sagt Erst-Autor André Violas.

Fortschritte auch bei Materialforschung

Ebenfalls aus Schweden stammt eine kürzlich veröffentlichte Studie, die ein vielversprechendes Material für solche dünnen Solarzellen gefunden hat. Formamidinium-Bleiiodid stammt aus der Klasse der Perowskite und gilt als eines der leistungsstärksten Materialien in Sachen Photovoltaik. Es ist jedoch sehr instabil, weshalb es nicht kommerziell eingesetzt wird.

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Eine Mischung mit einer zweiten Art von Perowskit könnte dieses Problem lösen. Um die Mischung optimal zu steuern, muss man allerdings herausfinden, wie sich Formamidinium-Bleiiodid verhält. Dafür nutzten die Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden Machine Learning, um Simulationen durchzuführen. 

Perowskit besser verstehen

Dabei erkannten sie, dass das Material in seiner sogenannten Niedrigtemperaturphase in einem halbstabilen Zustand stecken bleibt. Zusammen mit Forschern der Universität Birmingham konnten sie das auch bei Laborexperimenten bestätigen. "Wir hoffen, dass die Erkenntnisse, die wir aus den Simulationen gewonnen haben, dazu beitragen können, komplexe Perowskit-Materialien in Zukunft zu modellieren und zu analysieren", sagt Forscher Erik Fransson in einer Aussendung.