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Solarzelle mit Farbstoff

Von Rainer Scharf

Solarzellen aus Halbleitermaterial erreichen hohe Wirkungsgrade von rund 25 %, doch sie sind teuer. Jetzt haben Forscher in den USA eine neuartige Solarzelle entwickelt, die mit einer Farbstoffschicht überzogen ist und wesentlich preiswerter sein könnte.

In herkömmlichen Solarzellen trifft das Licht auf eine Halbleiterschicht, zumeist aus kristallinem Silizium, und regt in ihr Elektronen an. Die Elektronen gehen dabei vom Valenzband ins Leitungsband des Halbleiters über und wandern anschließend zur Oberseite der Schicht. Dort werden sie von einem elektrischen Kontakt aufgenommen. Die Löcher, die von den Elektronen im Valenzband zurückgelassen werden, wandern zu einem Kontakt an der Unterseite der Schicht. Zwischen den beiden Kontakten baut sich eine elektrische Spannung auf, die genutzt werden kann.

Bei der neuen Solarzelle, die Eric McFarland und Jing Tang von der University of Santa Barbara entwickelt haben, findet die Erzeugung der beweglichen Ladungen in einem anderen Material statt als ihr Transport zu den elektrischen Kontakten. Dadurch lassen sich beide Schritte unabhängig voneinander optimieren. Zudem findet der Ladungstransport nur durch Elektronen statt und nicht durch die wesentlich schlechter beweglichen Löcher, die leicht an Störstellen hängen bleiben können. Darüber hinaus enthält die Solarzelle kein teures kristallines Silizium und ist vergleichsweise einfach aufgebaut.

(Bild)
Funktionsweise der Farbstoff-Solarzelle, siehe Text. (Quelle: Nature)

Die neue Solarzelle besteht aus einer 200 Nanometer dicken Schicht des Halbleiters Titanoxid, die auf einem elektrischen Kontakt aus Titan auftragen wurde. Auf der dem Licht zugewandten Oberseite der Titanoxidschicht wurde eine 10 bis 50 Nanometer dicke Goldschicht aufgedampft, die anschließend mit dem Farbstoff Merbromin überzogen wurde. Trifft sichtbares Licht auf die Farbstoffschicht, so werden Elektronen freigesetzt (1), die durch die Goldschicht hindurchfliegen (2). Beim Übergang von der Gold- zur Titanoxidschicht müssen die Elektronen eine Schottky-Barriere von 0,9 Volt überwinden, die sich durch Ladungsumverteilung zwischen dem Metall und dem Halbleiter bildet.

Elektronen, die ohne Energieverlust durch die Goldschicht gelangt sind, haben genug Energie, um die Schottky-Barrieren zu überwinden und in das Leitungsband der Titanoxidschicht zu gelangen (3). Alle anderen Elektronen werden zurückgehalten (4). Sind die Elektronen erst einmal in der Titanxoidschicht, so werden sie bis zum Titankontakt auf der Rückseite der Schicht transportiert. Wenn die Forscher die Solarzelle beleuchteten, baute sich zwischen der Goldschicht und dem Titankontakt eine Spannung von 600 bis 800 Millivolt auf. Die Messungen zeigten, dass immerhin jedes zehnte Photon ein Elektron erzeugt hatte, das zum Strom in der Solarzelle betragen konnte.

Der Wirkungsgrad der Farbstoff-Solarzelle ist jedoch noch sehr gering und liegt unterhalb von einem Prozent. Ihr neuartiger Aufbau und ihr ungewöhnliche Funktionsweise lassen jedoch hoffen, dass die Ausbeute der Solarzelle noch beträchtlich verbessert werden kann. 

Quelle:

Eric W. McFarland und Jing Tang, A photovoltaic device structure based on internal electron emission. Nature 421, 616 (2003).
http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature01316

Kontakt
Eric W. McFarland; E-Mail: mcfar@engineering.ucsb.edu
http://www.chemengr.ucsb.edu/people/faculty/mcfarland.html

Weitere Informationen

Time to dye. Nature Physics Portal - Research Highlights
http://www.nature.com/physics/physics.taf?file=/physics/highlights/6923-1.html

M. C. Lux-Steiner und G. Willeke, Strom von der Sonne, Physikalische Blätter, November 2002, S. 47
http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART13403DE.PDF 

Laboratory for Photonics & Interfaces, Lausanne
http://dcwww.epfl.ch/lpi/

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg
http://www.ise.fraunhofer.de/

Institut für Photovoltaik, Jülich
http://www.fz-juelich.de/ipv/

 

pro-physik.de v. 7.2.2003

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