Forscher in Taiwan haben Solarzellen mit Galliumarsenid als Halbleitermaterial mit Nanopartikeln versehen. Sie ändern damit die Wellenlänge des einfallenden Lichtes und erzeugen mehr Ladungsträger tief im Material. Der steigende Wirkungsgrad ist wichtig, um die Technologie tauglich für den Massenmarkt zu machen.
Ein Forscherteam der National Chiao Tung Universität in Taiwan hat die Effizienz von Solarzellen mit Galliumarsenid als Halbleitermaterial verbessert. Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass durch das Aufbringen von Nanopartikel – sogenannten Quantendots – aus Cadmiumselenid und Cadmiumsulfid auf die Oberfläche der Zelle der Wirkungsgrad um nahezu 25 Prozent steigt.
Rekombinationsverluste senken
Die Dünnschichtzellen mit Galliumarsenid halten in der Photovoltaik ohnehin schon den Effizienzrekord für Solarzellen mit einem p-n-Übergang. Die bisherigen Zellen erreichen Werte von bis zu 28,8 Prozent. Allerdings ist die Herstellung immer noch sehr teuer, so dass weitere Effizienzsteigerungen notwendig sind, damit sich die Zellen gegen die Konkurrenz aus Silizium oder Cadmiumtellurid durchsetzen. Die Galliumarsenidzellen können zwar die Photonen mit hoher Energie leicht absorbieren und daraus auch Elektronen-Loch-Paare bilden. Doch diese findet knapp unter der Oberfläche des Halbleitermaterials statt, so dass die Rekombinationsverluste relativ groß sind. Die energieärmeren Photonen können hingegen weit in das Halbleitermaterial vordringen. Damit werden die Elektronen näher an der Rückseitenkontaktierung gebildet. Der Weg durch das Material ist dann nicht mehr so lang. Dadurch sinken die Rekombinationsverluste.
Mehr Ladungsträger im Material
Um jetzt auch das hochenergetische Licht besser nutzen zu können, haben die taiwanischen Forscher um Hau-Vei Han die verschiedenen speziellen Quantendots auf die Oberfläche der Zelle aufgebracht. Diese Quantendots wandeln das energiereiche kurzwellige Licht in langwelliges Licht um, das zwar weniger Energie hat, aber dafür tiefer ins Halbleitermaterial eindringt. „Das daraus resultierende Hybriddesign zeigt Antireflexionseigenschaften, wodurch mehr Photonen über das gesamte Wellenlängenspektrum gesammelt werden“, erklären die Forscher. „Das passiert vor allem durch die Steigerung der Produktion von Ladungsträgern, die aus der ultravioletten Strahlung produziert werden. Die Resultate zeigen, dass die Nanoteilchen im Grunde die gesamte Effizienz der Stromerzeugung um 24.65 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Galliumarsenidzellen steigern. Weitere Analysen der Effizienz unserer mit Nanoteilchen versehenen Zellen zeigen, dass durch die Umwandlung der kurzwelligen in langwellige Strahlung 6,6 Prozent mehr Ladungsträger erzeugt werden.“ Für die Galliumarsenidtechnologie ist das ein weiterer Schritt auf dem Weg in den Massenmarkt. Doch jetzt müssen die Ergebnisse auch noch in die Produktion überführt werden. (su)
