Forscher entwickeln selbstfaltende Solarzellen

Forscher an der University of Illinois arbeiten an einem neuen Zugang, mit vergleichsweise geringem Materialverbrauch effiziente Solarstrom-Anlagen zu realisieren. Dazu haben sie einen Prozess entwickelt, in dem sich dünne Silizium-Filme selbst zu dreidimensionalen, monokristallinen Strukturen falten. Denn die 3D-Form bietet mehr aktive Oberfläche und fungiert praktisch als passives Nachführsystem.

„Aufgrund unserer Demonstration dürfen wir uns auf Photovoltaik-Strukturen aus dünnen Filmen freuen, die sich optisch dicht verhalten und wesentlich effizienter sind“, ist Jennifer A. Lewis, Professorin für Materialwissenschaften und Werkstofftechnik an der University of Illinois, überzeugt. Einem Beitrag zufolge, der in Proceedings of the National Academy of Sciences vorab online veröffentlicht wurde, lässt sich das Selbstfaltungs-Prinzip nicht nur auf Silizium anwenden.

Effizienz ohne Nachführung

Die 3D-Solarzellen versprechen den Wissenschaftlern wesentliche Vorteile. Im Gegensatz zu Flachkollektoren können die 3D-Strukturen Licht praktisch unabhängig von der Einfallrichtung absorbieren. Sie fungieren somit als eine Art passive Nachführoptik, während große Flachkollektoren für eine optimale Ausbeute auf eine aktive Nachführung entsprechend dem Sonnenstand angewiesen sind.

„Wir wollen lieber kompakte Zellen herstellen, die immer noch eine nennenswerte Leistung bieten“, betont Ralph Nuzzo, Chemieprofessor an der University of Illinois, gegenüber Technology Review. Dabei kommt den Forschern entgegen, dass bei ihren 3D-Zellen aus wenig Material eine vergleichsweise große Solarzellen-Oberfläche entsteht. Allerdings sind die aktuellen Prototypen noch nicht auf wirkliche Leistung optimiert, sondern demonstrieren vor allem die Tauglichkeit des Herstellungsansatzes.

Selbstfaltend dank Wassertropfen

Das Problem an der Idee der 3D-Solarzellen liegt den Forschern zufolge in der Herstellung. Gerade bei Silizium sind nur sehr dünne Filme mit wenigen Mikrometen Dicke flexibel genug. Die Forscher haben bei ihrem Ansatz auf einer geeigneten Materialfolie zunächst photolithographisch eine gewünschte Form vorgegeben und herausgetrennt. Dann wurde ein Wassertropfen auf das noch flache Folienstück aufgebracht. Beim Verdampfen des Tropfens faltet sich das Material aufgrund von Kapillarwirkung in die 3D-Form. Ein kleines Stück Glas mit Haftmittel sorgt dann dafür, dass die Struktur auch hält.

Modell als Optimierungshilfe

Zusätzlich zum Herstellungsansatz haben die Wissenschaftler auch ein Vorhersage-Modell entwickelt, um vorauszuahnen, wie der Faltungsprozess je nach genutztem Materialfilm, dessen mechanischen Eigenschaften und der gewünschten Form ablaufen wird. Das verspricht die Möglichkeit, den Vorgang zu optimieren und das für bestimmte Zielsetzungen optimale Material auszuwählen. Außerdem könne vorhergesagt werden, wie sich eine 3D-Struktur in Abhängigkeit von Material, Dicke und Form letztendlich verhalten wird, so ein beteiligter Wissenschaftler.