Durchbruch: Solarstrom aus ultraleichten Nanodrähten
Ein Wissenschaftlerteam vom Center for Nanointegration (CENIDE, www.cenide.de) der Universität Duisburg-Essen hat eine Methode entwickelt, Nanodrähte mit radialem p-n-Übergang für Solarzellen nutzbar zu machen. Das Ergebnis haben sie in „Advanced Functional Materials“ (Jahrgang 2011, Ausgabe 20) veröffentlicht. Herkömmliche Solarzellen bestehen meist aus Schichten p- und n-dotierten Siliziums. An deren Grenzfläche, dem p-n-Übergang, wird die Energie der Sonnenstrahlen absorbiert und in Strom umgewandelt.
Die Wandlung von Sonnenlicht in Strom geschieht dabei auf einer Strecke von etwa einem Hundertstel Millimeter, in der Nanotechnologie ein halber Marathon. Das bedeutet immensen Materialverbrauch, hohes Gewicht und schließlich Kosten. Tauscht man das klassische Solarzellenmaterial Silizium gegen Galliumarsenid aus, wird die Strecke um den Faktor 100 reduziert.
In der CENIDE-Arbeitsgruppe beschäftigt sich Christoph Gutsche mit neuartigen Solarzellen im winzigsten Maßstab: Es geht um Nanodrähte aus Galliumarsenid, die an ein menschliches Haar erinnern, aber einen tausendfach kleineren Durchmesser aufweisen. Im Gegensatz zu den klassischen Schichtsystemen, die nur rund 60 % des Sonnenlichts absorbieren können, fangen dicht an dicht stehende Drähte durch multiple Absorption mehr als 90 % der einfallenden Strahlung ein. Zudem bestehen sie aus einem n-dotierten Kern und einer p-dotierten Hülle, so dass das Verhältnis zwischen Platzbedarf und der zur Stromerzeugung benötigten Grenzfläche deutlich größer ist als bei den Schichtsystemen. Dies macht die Nanodrähte zu Kandidaten für wirtschaftlich wettbewerbsfähige Anwendungen, bei denen ein geringes Gewicht erwünscht ist, etwa in der Raumfahrt.
Radial aufgebaute Nanodrähte für die PV gab es schon zuvor, doch erwies sich deren Kontaktierung bisher als höchst schwierig und kaum kontrollierbar. Für das Abführen der erzeugten Ladung wird jeweils ein exakter Kontakt zum n-dotierten Kern, der einen Durchmesser von nur 100 Nanometern aufweist, als auch zur p-dotierten Hülle benötigt. Gutsches Idee hierfür ist so einfach wie genial. Zwischen Kern und Hülle hat er eine Zwischenschicht aus Indiumgalliumphosphid (InGaP) eingebaut: Mit Phosphorsäure löst er die äußere Galliumarsenid-Hülle ab, mit Salzsäure die InGaP-Zwischenhülle. Beide Säuren ätzen selektiv, sodass der Prozess jeweils am Beginn der nachfolgenden Schicht automatisch stoppt.
