Doppelte Effizienz: Solarzellen aus schwarzem Silizium

Am Fraunhofer Institut für Telekommunikation ist es gelungen, die Effizienz von Solarzellen zu steigern, indem schwarzes Silizium mit Schwefelatomen dotiert wurde. Damit kann auch der infrarote Spektralbereich teilweise genutzt werden. Die deutliche Leistungssteigerung im infraroten Bereich wirkt sich positiv auf den Gesamtwirkungsgrad der Solarzelle aus. Der Wirkungsgrad kann auf diese Weise um etwa ein Prozent gesteigert werden.

Schwarzes Silizium ist keine neue Entdeckung

Schwarzes Silizium wird hergestellt, indem die Oberfläche eines Kristalls mit einem Laser beschossen wird. Dabei entsteht eine auf mikroskopischer Ebene zerklüftete Oberflächenstruktur. Dadurch wird deutlich mehr Licht absorbiert, es wird kaum noch Licht reflektiert. Das liegt zunächst daran, dass die Gesamtoberfläche im Vergleich zu einer glatten Oberfläche erheblich größer ist. Darüber hinaus kommt es in den Vertiefungen der Oberfläche zu seitlichen Reflektionen. Licht, das beim ersten Versuch nicht absorbiert wurde, bekommt gewissermaßen eine zweite Chance, in den Kristall einzudringen. An dieser Stelle ist vor einem Missverständnis zu warnen: Es ist bekannt, dass schwarze Oberflächen Strahlung besser absorbieren als helle. Das hat jedoch mit diesem Effekt nicht das Geringste zu tun. Es wird keine schwarze oder sonstige Beschichtung auf das Silizium aufgetragen! Die Logik funktioniert hier genau in die entgegengesetzte Richtung. Das Silizium sieht schwarz aus, weil es viel Licht absorbiert. Es absorbiert nicht viel Licht, weil es schwarz ist! Besonders deutlich wirkt sich die verbesserte Absorption im infraroten Spektrum aus, wo normales Silizium ungefähr 30 Prozent der Strahlung reflektiert. Dieser Anteil sinkt auf unter fünf Prozent.

Und wozu die Schwefelatome?

Die deutlich verbesserte Absorption im roten und infraroten Spektrum hilft alleine nicht weiter. Zumindest nicht in der Photovoltaik, im Bereich optischer Sensoren wird schwarzes Silizium hingegen schon lange als potentieller Kandidat mit großem Innovationspotenzial gehandelt. (Das erklärt vermutlich auch, warum man sich am Institut für Telekommunikation statt am Institut für Energiesysteme damit befasst.) Herkömmliche Solarzellen können aus infrarotem Licht keinen Strom machen, deswegen ist es ziemlich egal, wie viel davon reflektiert wird. Der Grund liegt darin, dass langwellige Strahlung nicht genügend Energie besitzt, um Elektronen in den leitenden Zustand zu heben. Durch die Schwefelatome entsteht im Kristall ein weiteres Energieniveau, das zwischen dem Grundzustand und dem leitenden Zustand der Elektronen liegt. Das erlaubt es, den Sprung in den leitenden Zustand in zwei kleinere Sprünge aufzuteilen. Es wird also eine Stufe für den leichteren Aufstieg eingebaut. Für diese beiden kleineren Sprünge reicht die Energie der langwelligen Strahlung. Die eigentliche Innovation des neuen Verfahrens besteht darin, dass die Schwefelatome sehr viel präziser positioniert werden können. Durch die hochgradig regelmäßige Anordnung der Schwefelatome wird dieser Prozess effektiver.

Bildquelle: Fraunhofer HHI