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 Solarflugzeug icaré testet elektrische Flächenendantriebe
16.08.2019 | Universität Stuttgart

nachricht Konfektionierbarer Steckverbinder für einfache Motoranschlüsse
16.08.2019 | PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG

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: "Qutrit": Komplexe Quantenteleportation erstmals gelungen

Wissenschaftlern der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien ist es gemeinsam mit chinesischen Forschern erstmals gelungen, dreidimensionale Quantenzustände zu übertragen. Höherdimensionale Teleportation könnte eine wichtige Rolle in künftigen Quantencomputern spielen.

Was bislang nur eine theoretische Möglichkeit war, haben Forscher der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien nun erstmals...

Im Focus: Laser für durchdringende Wellen: Forscherteam entwickelt neues Prinzip zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung

Der „Landau-Niveau-Laser“ ist ein spannendes Konzept für eine ungewöhnliche Strahlungsquelle. Er hat das Zeug, höchst effizient sogenannte Terahertz-Wellen zu erzeugen, die sich zum Durchleuchten von Materialen und für die künftige Datenübertragung nutzen ließen. Bislang jedoch scheiterten nahezu alle Versuche, einen solchen Laser in die Tat umzusetzen. Auf dem Weg dorthin ist einem internationalen Forscherteam nun ein wichtiger Schritt gelungen: Im Fachmagazin Nature Photonics stellen sie ein Material vor, das Terahertz-Wellen durch das simple Anlegen eines elektrischen Stroms erzeugt. Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) waren maßgeblich an den Arbeiten beteiligt.

Ebenso wie Licht zählen Terahertz-Wellen zur elektromagnetischen Strahlung. Ihre Frequenzen liegen zwischen denen von Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Sowohl...

Im Focus: A miniature stretchable pump for the next generation of soft robots

Soft robots have a distinct advantage over their rigid forebears: they can adapt to complex environments, handle fragile objects and interact safely with humans. Made from silicone, rubber or other stretchable polymers, they are ideal for use in rehabilitation exoskeletons and robotic clothing. Soft bio-inspired robots could one day be deployed to explore remote or dangerous environments.

Most soft robots are actuated by rigid, noisy pumps that push fluids into the machines' moving parts. Because they are connected to these bulky pumps by tubes,...

Im Focus: Crispr-Methode revolutioniert

Forschende der ETH Zürich entwickelten die bekannte Crispr/Cas-Methode weiter. Es ist nun erstmals möglich, Dutzende, wenn nicht Hunderte von Genen in einer Zelle gleichzeitig zu verändern.

Crispr/Cas ist in aller Munde. Mit dieser biotechnologischen Methode lassen sich in Zellen verhältnismässig einfach und schnell einzelne Gene präzise...

Im Focus: Wie schwingen Atome in Graphen-Nanostrukturen?

Innovative neue Technik verschiebt die Grenzen der Nanospektrometrie für Materialdesign

Um das Verhalten von modernen Materialien wie Graphen zu verstehen und für Bauelemente der Nano-, Opto- und Quantentechnologie zu optimieren, ist es...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gedanken rasen zum Erfolg: CYBATHLON BCI Series 2019

16.08.2019 | Veranstaltungen

Impfen – Kleiner Piks mit großer Wirkung

15.08.2019 | Veranstaltungen

Internationale Tagung zur Katalyseforschung in Aachen

14.08.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Nylon als Baustein für transparente elektronische Geräte?

19.08.2019 | Materialwissenschaften

Sind die Darmbakterien die eigentlichen Manager beim Zu- und Abnehmen?

19.08.2019 | Medizin Gesundheit

"Qutrit": Komplexe Quantenteleportation erstmals gelungen

19.08.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics