Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Vom Auge abgeschaut: Mikrotrichter aus Silizium erhöhen die Effizienz von Solarzellen

25.02.2015

Eine Biostruktur im Säugetierauge hat ein Team um Silke Christiansen inspiriert, ein anorganisches Pendant für den Einsatz in Solarzellen zu entwerfen. Mit Hilfe etablierter halbleitertechnologischer Verfahren ätzten sie dicht an dicht mikrometerfeine, vertikale Trichter in ein Siliziumsubstrat.

Mit Modellrechnungen und im Experiment testeten sie, wie solche Trichterfelder das einfallende Licht sammeln und in die aktive Schicht einer Siliziumsolarzelle leiten. Durch diese Trichteranordnung steigt die Lichtabsorption in einer damit versehenen Dünnschichtsiliziumsolarzelle um 65 %, was sich in deutlich verbesserten Solarzellparametern u.a. einem erhöhten Wirkungsgrad widerspiegelt.


Aufnahmen mit dem Raster-Elektronenmikroskop zeigen, wie regelmäßig die in ein Silizium-Substrat eingeätzten Trichter angeordnet sind (links: Längenskala 5 Mikrometer, rechts: 1 Mikrometer). Die Trichter messen oben im Durchmesser noch rund 800 Nanometer und laufen unten auf etwa hundert Nanometer spitz zu. Bild: S. Schmitt/MPL


Die Simulation zeigt, wie sich die Form der Nanostrukturen auf die Lichtkonzentration auswirkt. Je spitzer der Trichter zuläuft, desto stärker ist auch das Licht konzentriert (rot: hohe Konzentration, gelb: geringe Intensität). Bild: G. Shalev, S. Schmitt/MPL

Mitten im Gelben Fleck der Netzhaut sitzt die Fovea Centralis, die Sehgrube, in der die trichterartigen, schlanken Farb-Sehzapfen ganz besonders dicht gepackt sind. Weil sie überdies eins zu eins mit Nervenzellen verschaltet sind, sehen wir in diesem kleinen Bereich ein maximal scharfes Bild.

Diese dichtgepackte Zapfen-Struktur hat nun das Team um Prof. Dr. Silke Christiansen dazu angeregt, eine ähnliche Struktur in Silizium nachzubilden und ihre Eignung als lichtsammelnde und -leitende Oberfläche für Solarzellen zu untersuchen. Christiansen leitet das Institut für Nanoarchitekturen für die Energiewandlung am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und eine Arbeitsgruppe am Max-Planck Institut für die Physik des Lichts (MPL).

„Wir haben in dieser Arbeit gezeigt, dass die Lichttrichter deutlich mehr Licht absorbieren als andere optische Architekturen, die in letzter Zeit getestet wurden“, sagt Sebastian Schmitt, einer der beiden Erstautoren der Veröffentlichung, die im renommierten Journal Nature Scientific Reports erschienen ist.

Kleine Änderung – große Wirkung!

Wie groß die Auswirkung dieser Architektur war, überraschte die Forscherinnen und Forscher allerdings: So war aus früheren Untersuchungen bekannt, dass auch eine Architektur aus sehr dünnen Säulen (ein „Teppich aus Silizium-Nanosäulen“) Licht gut absorbiert. Doch schon geringe Abweichungen von der Säulenform hin zum Trichter verstärkten die Absorption. Im Vergleich mit den Nanosäulen-Teppichen, die seit längerem untersucht werden, schneiden die Trichterfelder nochmals deutlich besser ab.

Dabei erfordert die Herstellung der Lichttrichter keinen besonderen Aufwand und ist mit herkömmlichen halbleitertechnologischen Verfahren wie z.B. dem reaktiven Ionenätzen oder nasschemischen Ätzprozessen machbar. Verglichen mit einem Silizium-Film gleicher Dicke steigert eine Schicht aus Lichttrichtern die Absorption von Sonnenlicht um 65%.

„Durch unsere Modellierungen können wir auch eine Erklärung liefern, warum die Felder aus Lichttrichtern erheblich besser Licht einfangen als Teppiche aus Nanosäulen (siehe diese Publikation). Optische Moden in Nanosäulen „stören“ sich gegenseitig, ein Feld von eng stehenden Nanosäulen nimmt dadurch also weniger effizient Licht auf, als dieselbe Zahl einzelner Nanosäulen es könnte. Bei den Lichttrichtern tritt das Gegenteil ein: Dicht benachbarte Lichttrichter verstärken ihre Absorption gegenseitig“, erklärt Schmitt.

Blick in die Zukunft:

„Mit diesem interessanten ersten Ergebnis planen wir in verschiedenste Richtungen vorzudringen“, sagt Silke Christiansen. Sie und ihr Team arbeiten weiter an der Verbesserung von Dünnschichtsolarzellen auf Siliziumbasis und wollen die Trichter nun in robuste Zellkonzepte einbauen, die sich auch großflächig und kostengünstig realisieren lassen. Dabei können sie auf die Kompetenzen am PVCOMB des HZB zugreifen, wo die Abteilung um Prof. Rutger Schlatmann sich auf Hoch-Skalierung von Labormustern spezialisiert hat und Machbarkeitsstudien für großflächige Solarzellen schnell und effizient umsetzen kann. „In dieser Kooperation werden wir hoffentlich zeitnah mit einer 30cm x 30cm Trichtersolarzelle wieder von uns hören lassen. Sebastian Schmitt arbeitet aber auch an der Nutzung der Trichter für weitere photonische Anwendungen in LEDs und sensorischen Bauelementen. Erste Vorversuche sind so vielversprechend, dass wir zuversichtlich sind, dass diese Anwendungen kein Traum bleiben müssen“, so Silke Christiansen.

Die Arbeit erschien in February 24th in Nature Scientific Reports: Enhanced photovoltaics inspired by the fovea centralis, Gil Shalev, Sebastian W. Schmitt et al. Teamleader: Silke Christiansen, Scientific Reports 5, Article number:8570, doi:10.1038/srep08570


Weitere Informationen:
Prof. Dr. Silke Christiansen
silke.christiansen@helmholtz-berlin.de

HZB-Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
antonia.roetger@helmholtz-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14152&sprache=de&ty...
http://www.nature.com/srep/2015/150224/srep08570/full/srep08570.html

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Digitale Messtaster von WayCon – höchst präzise und vielseitig einsetzbar
14.11.2017 | WayCon Positionsmesstechnik GmbH

nachricht FAU-Forscher entwickeln neues Materialsystem für effiziente und langlebige Solarzellen
10.11.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

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: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie