Solarzellen Wie der Wirkungsgrad von PV-Anlagen erhöht werden kann

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Forschende der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben in einer Studie herausgefunden, dass sich der photovoltaische Effekt ferroelektrischer Kristalle in Solarzellen um den Faktor 1.000 erhöhen lässt. Dafür sind Schichten aus drei verschiedenen Materialien nötig. Silizium ist nicht dabei.

Kristalline Schichten aus Barium-, Strontium- und Calciumtitanat könnten die Stromausbeute zukünftiger Solarzellen erhöhen.
Kristalline Schichten aus Barium-, Strontium- und Calciumtitanat könnten die Stromausbeute zukünftiger Solarzellen erhöhen.
(Bild: ©Countrypixel - stock.adobe.com)

Aktuell basieren die meisten Solarzellen auf Silizium, doch ihr Wirkungsgrad ist begrenzt. Seit einigen Jahren wird deshalb an neuen Materialen geforscht. So auch an Ferroelektrika, wie Bariumtitanat, einem Mischoxid aus Barium und Titan. Laut MLU besitzt das Material räumlich getrennte positive und negative Ladungen. Das führe zu einer asymmetrischen Struktur, die eine Stromerzeugung unter Licht ermöglicht. Im Gegensatz zu Silizium benötigen ferroelektrische Kristalle für den photovoltaischen Effekt keinen sogenannten pn-Übergang, heißt es. Das erleichtere die Herstellung von Solarmodulen wesentlich.

Kombination verschiedener Materialien führt zum Ziel

Nach Angaben der MLU-Wissenschaftler absorbiert reines Bariumtitanat wenig Sonnenlicht und erzeugt demzufolge einen vergleichsweise geringen Lichtstrom. Die neue Forschung zeige jedoch, dass die Kombination verschiedener Materialien in extrem dünnen Schichten die Ausbeute der Sonnenenergie deutlich erhöht. Wichtig dabei sei, dass sich ein ferroelektrisches mit einem paraelektrischen Material abwechselt. Letzteres weise zwar keine getrennten Ladungen auf, kann unter bestimmten Bedingungen jedoch ferroelektrisch werden.

Die Forschungsgruppe im Zentrum für Innovationskompetenz SiLi-nano der MLU hat nun herausgefunden, dass der photovoltaische Effekt nochmals deutlich verstärkt wird, wenn sich die ferroelektrische Schicht nicht nur mit einer, sondern mit zwei verschiedenen paraelektrischen Schichten abwechselt.

Wir haben das Bariumtitanat zwischen Strontium- und Calciumtitanat eingebettet. Dafür werden die Kristalle mit einem Hochleistungslaser verdampft und auf Trägersubstraten wieder abgelagert.

Yeseul Yun, Doktorandin an der MLU und Erst-Autorin der Studie

Das so hergestellte Material besteht aus 500 Schichten und ist etwa 200 Nanometer dick.

Überraschendes Ergebnis

Für die photoelektrischen Messungen wurde das neue Material mit Laserlicht bestrahlt. Das Ergebnis überraschte die Forschungsgruppe: Im Vergleich zu reinem Bariumtitanat ähnlicher Dicke war der Stromfluss nach eigenen Angaben bis zu 1.000-mal stärker – und das, obwohl der Anteil des Bariumtitanats als photoelektrische Hauptkomponente um fast zwei Drittel reduziert wurde. Offenbar führe die Interaktion der Gitterschichten zu einer wesentlich höheren Permittivität. Auch ist der Effekt sehr robust: Er blieb über einen Zeitraum von sechs Monaten nahezu konstant, heißt es.

Die weitere Forschung muss nun zeigen, welche Ursachen genau für den photoelektrischen Effekt verantwortlich sind, damit das Potenzial des neuen Konzepts für die praktische Anwendung in Solarmodulen genutzt werden kann.

Zur Originalpublikation der Studie in der Fachzeitschrift "Science Advances"

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