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Photovoltaikforschung

Schwarzes Silizium in einem Schritt

Die Wissenschaft geht immer weiter, wenn es darum geht, die Effizienz von Solarzellen zu steigern. Dazu gehört auch die Herstellung von schwarzem Silizium. Ein aktuelles Forschungsergebnis bringt das der Massenfertigung näher.

schwarzes Silizium Nano Nahaufnahme
 - Wie ein Wald aus kleinen umgekehrten Pyramiden sieht die Oberfläche des Wafers nach dem Ätzen aus. Der Prozess dauert aber immer noch acht Stunden, so dass er bisher noch kaum für die Massenproduktion taugt.
Wie ein Wald aus kleinen umgekehrten Pyramiden sieht die Oberfläche des Wafers nach dem Ätzen aus. Der Prozess dauert aber immer noch acht Stunden, so dass er bisher noch kaum für die Massenproduktion taugt.
Rice University/Barron Group

Forscher der Rice Universität im texanischen Houston haben eine Methode entwickelt, einfacher schwarzes Silizium herzustellen. Der Vorteil des Materials ist es, dass mehr Sonnenlicht eingefangen und damit in Strom umgewandelt werden kann. Denn je mehr Licht durch die aktiven Elemente der Solarzelle absorbiert wird, desto mehr Energie wird sie erzeugen. Da dadurch kaum noch Licht vom Material reflektiert wird, erscheint es schwarz. Das erreicht man, indem man sehr kleine Nadeln im Nanometerbereich auf die Oberfläche des Wafers prozessiert werden. Diese müssen kleiner sein als die Wellenlänge des Lichts, das eingefangen werden soll. „Solche Oberflächenstrukturen erlauben die effiziente Absorption von Sonnenlicht unabhängig vom Einstrahlungswinkel – also vom Sonnenauf- bis zum Sonnenuntergang“, erklärt Andrew Barron, Projektleiter und Chemiker an der Rice Universität. „Die bisherigen Strategien haben die Reflexion des Sonnenlichts auf der Solarzelle auf ungefähr sechs Prozent reduziert. Aber die Antireflexion ist beschränkt auf ein spezifisches Spektrum im Sonnenlicht und abhängig vom Einfallswinkel und der Wellenlänge.“

Auf einen Schritt reduziert

Bisher wurden schwarze Siliziumwafer entweder sehr zeit- oder sehr energieaufwändig produziert. Die texanischen Forscher haben den Prozess jetzt auf einen Schritt reduziert, der außerdem auch noch bei Zimmertemperatur abläuft. Die Forscher nehmen eine Mischung aus Kupfernitrat, Phosphorsäure, Flourwasserstoff und Wasser. Wenn diese Mischung aus auf den kristallinen Siliziumwafer aufgebracht wird, reduziert die Phosphorsäure die Kupferionen auf Kupfernanopartikel. Diese Nanopartikel regen Elektronen auf der Oberfläche des Siliziums an, oxidieren es und ermöglichen dadurch dem Flourwasserstoff, eine umgekehrte Pyramidenstruktur in die Siliziumoberfläche zu brennen.

Die Forschung geht weiter

Durch die Verfeinerung dieses Prozesses ist es den Wissenschaftlern gelungen, sogenannte Nanoporen zu erzeugen, die kleiner als 590 Nanometer sind. Diese können nach Angaben der Forscher 99 Prozent des Lichts einfangen. Im Gegensatz dazu reflektiert das reine, nicht geätzte Silizium nahezu 100 Prozent des Sonnenlichts. Noch ist die Forschung nicht abgeschlossen und zur Massenfertigung ist es noch ein weiter Weg. „Die Nadeln brauchen noch eine Schutzschicht, um sie vor den Witterungseinflüssen zu schützen“, erklärt Barron. Er und seine Kollegen arbeiten außerdem daran, den immer noch acht Stunden dauernden Prozess des Ätzens weiter zu verkürzen. „Aber die Erleichterung bei der Herstellung von schwarzem Silizium in einem Schritt macht den Prozess viel praktikabler als die vorhergehenden Methoden“, betont Barron.

Sven Ullrich