Solarstrom kann wirtschaftlich nicht mit den konventionellen Energiearten konkurrieren, weil Solarzellen aus äußerst reinem und damit in der Herstellung teurem Silizium bestehen. Forscher von der Universität von Kalifornien in Santa Barbara arbeiten an einem preiswerten Ersatz für Silizium-Solarzellen. Sie präsentieren ihre Ergebnisse im Fachmagazin Nature (Bd. 421, S. 616).
Das halbleitende Silizium hat in den konventionellen Solarzellen mehrere Aufgaben zu erfüllen. Es fängt zunächst die Photonen des Sonnenlichts auf. Die Energie der Photonen schlägt Elektronen aus atomaren Bindungen heraus. Neben den nun freien Elektronen stehen damit die zurückgebliebenen Löcher für die Leitung von Strom zur Verfügung. Damit der Stromfluss funktioniert, müssen Elektronen und Löcher aber getrennt bleiben. Außerdem müssen die Elektronen und Löcher zu den äußeren Kontakten der Solarzelle transportiert werden.
Eric McFarland und Jing Tang haben nun die Aufgaben des Siliziums auf ein mehrschichtiges Material verteilt. Auf eine mit Farbe beschichtete dünne Goldschicht folgt innen eine Schicht aus dem halbleitenden Titandioxid. Den Abschluss bildet eine Titanschicht.
Aus dem Titandioxid fließen spontan einige Elektronen in die Goldschicht. Das daraus resultierende elektrische Feld bildet eine Barriere für Elektronen. Die Photonen des Sonnenlichts schlagen jedoch in der äußeren Farbschicht Elektronen aus atomaren Bindungen heraus, die die Barriere überwinden können.
Da die Barriere aber das Zurückfließen der herausgeschlagenen Elektronen und somit die Wiedervereinigung mit den zurückgebliebenen Löchern verhindert, bleibt den Elektronen nichts anderes übrig, als zum Titankontakt zu wandern. Verbindet man die Titanschicht mit der Goldschicht über ein äußeres Kabel, dann fließt Strom.
Anders als bei den Silizium-Solarzellen spielen die Löcher für den Stromfluss keine Rolle. Die in der Farbschicht entstandenen Löcher werden von Elektronen aus der Goldschicht wieder aufgefüllt. Bei den Siliziumzellen ist es aber gerade die für die Aufrechterhaltung der Löcher erforderliche Reinheit des Siliziums, die ihre Herstellung so aufwändig macht.
Die Effizienz, mit der das neue Material Licht in elektrischen Strom umwandelt, beträgt bisher weniger als ein Prozent. Zum Vergleich: Siliziumzellen erreichen 15 bis 18 Prozent. Doch die Forscher gehen davon aus, dass ihre Zellen nach einer Weiterentwicklung die gleiche Effizienz wie die konventioneller Solarzellen erreichen werden.
Axel Tillemans
