Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Solarzellen aus Schwarzem Silizium

01.10.2012
Drei Viertel der Sonnenenergie wandeln Solarzellen 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 tiefblauen 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.


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

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.

Preisgekröntes Projekt

Im ersten Schritt haben die Wissenschaftler die Laserpulse geändert und untersucht, wie sich die Materialeigenschaften von Schwarzem Silizium sowie der Wirkungsgrad von Solarzellen aus diesem Material ändern. Nun arbeiten sie daran, verschiedene Laserpulse einzusetzen und zu analysieren, wie sich die Energieniveaus des Schwefels ändern. Künftig soll ein System von Algorithmen automatisch herausfinden, wie der Laserpuls verändert werden muss, um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Das Projekt »Maßgeschneiderte Lichtpulse« gehört zu den diesjährigen Preisträgern im Wettbewerb »365 Orte im Land der Ideen«, die Auszeichnung findet am 11. Oktober 2012 in Goslar statt.

Prototypen der Schwarzen Silizium-Solarzellen konnten die Forscher bereits herstellen. In einem nächsten Schritt wollen sie diese Zellen mit der kommerziellen Technologie vereinen. »Wir hoffen, den Wirkungsgrad kommerzieller Solarzellen, der momentan bei etwa 17 Prozent liegt, um ein Prozent erhöhen zu können, indem wir sie mit Schwarzem Silizium kombinieren«, sagt Kontermann.

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. Weiterhin planen die Wissenschaftler eine Ausgründung: In dieser Firma wollen sie die Laseranlage vermarkten, mit der Hersteller ihre bestehenden Solarzellenlinien erweitern können. Diese wären dann in der Lage, das Schwarze Silizium selbst zu produzieren und serienmäßig in die Zellen einzubauen.

Dr. rer. nat. Stefan Kontermann | Fraunhofer Forschung Kompakt
Weitere Informationen:
http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2012/oktober/solarzellen-aus-schwarzem-silizium.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Energieproduzierende Fenster stehen kurz bevor
23.02.2017 | University of Minnesota / Università degli Studi di Milano-Bicocca

nachricht Hauchdünn wie ein Atom: Ein revolutionärer Halbleiter für die Elektronik
23.02.2017 | Universität Bayreuth

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie