Die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (Saale), kurz Uni Halle, forscht an der Solartechnik und testete in einem mehrmonatigen Langzeittest erfolgreich eine Solarzelle, die  die 1.000fache Wirkung gegenüber herkömmlichen Solarzellen erzielt: eine Solarzelle aus 3 Kristallen, wie Business Leaders bereits berichtete.

Solarzelle aus 3 Kristallen im Test-Labor: Physik-Doktorandin Yeseul Yun gehört zum Wissenschaftler-Team von Dr. Akash Bhatnagar vom ZIK Zentrum für Innovationskompetenz SiLi-nano® der Uni Halle © ZIK SiLi-nano der Uni Halle (Saale) vom 10. September 2021

Solarzelle aus 3 Kristallen im Test-Labor: Physik-Doktorandin Yeseul Yun gehört zum Wissenschaftler-Team von Dr. Akash Bhatnagar vom ZIK Zentrum für Innovationskompetenz SiLi-nano® der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg © ZIK SiLi-nano vom 10. September 2021

Ein Produzent wie etwa die Schweizer Meyer Burger Technology AG mit ihrem neuen Werk für Solarzellen im sachsen-anhaltinischen Thalheim, einem Stadtteil von Bitterfeld-Wolfen, über den Business Leaders hier berichtete, ist allerdings noch nicht eingestiegen. Dabei sei die Herstellung einfacher als die Herstellung herkömmlicher Solarzellen, versichern die Forscher.

Solarzelle von Uni Halle: Für den Solarmarkt ein Segen

Die neuere Forschung hat gezeigt, dass die Kombination verschiedener Materialien in extrem dünnen Schichten die Ausbeute der Sonnenenergie deutlich erhöht.

Die photovoltaische Wirkung ferroelektrischer Kristalle kann um den Faktor 1.000 gesteigert werden, wenn drei verschiedene Materialien periodisch in einem Gitter angeordnet werden. Das haben Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) in einer Studie herausgefunden. Dazu haben sie kristalline Schichten aus Bariumtitanat, Strontiumtitanat und Kalziumtitanat erzeugt und abwechselnd übereinandergelegt. Ihre Erkenntnisse könnten den Wirkungsgrad von Solarzellen auf dem Markt deutlich erhöhen.

So sieht die Praxis bislang aus

Aktuell basieren die meisten Solarzellen auf Silizium. Doch der Halbmetallleiter besitzt nur eine eingeschränkte Wirkung. Die Forschungsgruppe Light for High Voltage Photovoltaics am Zentrum für Innovationskompetenz SiLi-nano® der Uni Halle suchte daher nach Alternativen.

„Ferroelektrische Materialen“, erklärt der Physiker Dr. Akash Bhatnagar vom Zentrum für Innovationskompetenz SiLi-nano der Uni Halle, „sind genauso in der Lage, bei Licht Spannungen zu generieren. Sie funktionierten aber nach einem völlig anderen physikalischen Mechanismus.“

Der alte Forschungsansatz

Seit Jahren wurde versucht, Silizium allein durch das Kristall Bariumtitanat zu ersetzen. Bariumtitanat ist ein Ferroelektrika, ein Mischoxid aus Barium und Titan. „Ferroelektrisch bedeutet, dass das Material räumlich getrennte positive und negative Ladungen besitzt“, so der Wissenschaftler Dr. Bhatnagar.

Der Vorteil von Ferroelektrika

Dr. Bhatnagar: „Die Ladungstrennung führt zu einer asymmetrischen Struktur, die eine Stromerzeugung unter Licht ermöglicht.“ Im Gegensatz zu Silizium benötigen ferroelektrische Kristalle für den photovoltaischen Effekt keinen sogenannten pn-Übergang, also keine positiv und negativ dotierten Schichten, was die Herstellung von Solarmodulen wesentlich erleichtert.

Der Nachteil nur eines Kristalls

Reines Bariumtitanat absorbiert allerdings wenig Sonnenlicht und erzeugt demzufolge einen vergleichsweise geringen Lichtstrom.

Der neue Ansatz an der Uni Halle:

Das herkömmliche Silizium wird nicht mehr nur durch ein einziges Kristall wie Bariumtitanat ersetzt. Sondern durch eine Schicht aus drei verschiedenen Kristallen. Dabei wird das Bariumtitanat (BaTiO3) zwischen Strontiumtitanat (SrTio3) und Calciumtitanat (CaTiO3) eingebettet.

Schematische Darstellung des Gittermaterials. Das altherkömmliche Silizium wird in der neuesten Forschung nicht mehr nur durch ein einziges Kristall (Bariumtitanat, BATiO3) ersetzt. Für ihren nun tausendfach wirksameren Ansatz haben die Forschenden drei Kristallmaterialien miteinander kombiniert. Bariumtitanat (BaTiO3) wird zwischen Strontiumtitanat (SrTio3) und Calciumtitanat (CaTiO3) eingebettet © Uni Halle / Yeseul Yun, Doktorandin und Erstautorin der Studie „Stark verbesserter und abstimmbarer photovoltaischer Effekt in ferroelektrisch-paraelektrischen Übergittern“, veröffentlicht am 2. Juni 2021 im renommierten „Science Advcances“

Schematische Darstellung des Gittermaterials. Das altherkömmliche Silizium wird in der neuesten Forschung nicht mehr nur durch ein einziges Kristall (Bariumtitanat, BATiO3) ersetzt. Für ihren nun tausendfach wirksameren Ansatz haben die Forschenden drei Kristallmaterialien miteinander kombiniert. Bariumtitanat (BaTiO3) wird zwischen Strontiumtitanat (SrTio3) und Calciumtitanat (CaTiO3) eingebettet © Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg / Yeseul Yun, Doktorandin und Erstautorin der Studie „Stark verbesserter und abstimmbarer photovoltaischer Effekt in ferroelektrisch-paraelektrischen Übergittern“, veröffentlicht am 2. Juni 2021 im renommierten „Science Advcances“

Hauchdünn

Für ihre Untersuchung stellte die Forschungsgruppe ein 200 Nanometer dünnes Material her. Dazu wurden durch Verdampfung mittels eines Hochleistungslasers und gezielte Ablagerung insgesamt 500 Kristallschichten übereinandergelegt.

Physik-Doktorandin Yeseul Yun aus Südkorea im Labor der Uni Halle (Saale), wo die Solarzelle aus 3 Kristallen getestet wurde © Pressefoto Uni Halle (Saale) vom 21. August 2021

Physik-Doktorandin Yeseul Yun aus Südkorea im Labor der Uni Halle (Saale), wo die Solarzelle aus 3 Kristallen getestet wurde © Pressefoto Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg vom 21. August 2021

Uni Halle-Doktorandin Yeseul Yen, die ihren Master in Physics 2016 an der Universität von Seoul in Südkorea machte, erläuterte in einer Presseerklärung der Uni Halle am 20. Juli 2021: „Wir haben das Bariumtitanat zwischen Strontium- und Calciumtitanat eingebettet. Dafür werden die Kristalle mit einem Hochleistungslaser verdampft und auf Trägersubstraten wieder abgelagert. Das so hergestellte Material besteht aus 500 Schichten und ist etwa 200 Nanometer dick.“

Das Team vom Projekt “Light for High Voltage Photovoltaics” an der Uni Halle (Saale) von links nach rechts: David Knoche, Sadé Campbell, Yeseul Yun, Lutz Mühlenbein, Akash Bhatnagar, Niranjan Ramakrishnegowda, Xinye Li , Sandra Gesemann, Marian Lisca © Uni Halle (Saale)

Das Team vom Projekt “Light for High Voltage Photovoltaics” an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg von links nach rechts: David Knoche, Sadé Campbell, Yeseul Yun, Lutz Mühlenbein, Akash Bhatnagar, Niranjan Ramakrishnegowda, Xinye Li , Sandra Gesemann, Marian Lisca © Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Das Hauptziel des Projekts “Light for High Voltage Photovoltaics” ist es, den Anomalen Photovoltaischen Effekt (APV-Effekt) in ferroelektrischen/multiferroischen Materialien einer Anwendung zuzuführen.

Die Wirkung der neuen Solarzelle aus 3 Kristallschichten verblüffte selbst die Forschungsgruppe

Für die photoelektrischen Messungen wurde das neue Material mit Laserlicht bestrahlt. Das Ergebnis überraschte selbst die Forschungsgruppe: Im Vergleich zu reinem Bariumtitanat ähnlicher Dicke war der Stromfluss bis zu 1.000-mal stärker – und das, obwohl der Anteil des Bariumtitanats als photoelektrische Hauptkomponente um fast zwei Drittel reduziert wurde.

Multischichtsystem für Solarzelle geeignet

Dr. Bhatnagar ist zuversichtlich, dass das Multischichtsystem aus Strontium-, Barium- und Calciumtitanat für die praktische Anwendung in Solarmodulen genutzt werden könne. Denn die Schichtstruktur zeige in allen Temperaturbereichen eine höhere Ausbeute. Zudem seien die verwendeten Kristalle langlebig.

Dr. Bhatnagar: „Die Schichtstruktur zeigt in allen Temperaturbereichen eine höhere Ausbeute als ein reines Ferroelektrikum. Zudem sind die verwendeten Kristalle deutlich langlebiger und benötigen keine spezielle Verpackung.“

Die Messungen haben obendrein gezeigt, dass dieser Effekt sehr robust ist: Er war über einen Zeitraum von sechs Monaten nahezu konstant

Neben der erhöhten Leitfähigkeit besitzt das Material einen weiteren Vorteil. Anders als bei Silizium benötigen die Kristallschichten keine entgegengesetzte Dotierung für den photovoltaischen Effekt. Dies ermöglicht eine vereinfachte Fertigung von Solarzellen.

Warum genau verbessern die drei Kristallschichten die Ferroelektrika-Solarzellen mit nur einem Kristall nachweislich um den Faktor 1.000?

Die weitere Forschung muss nun zeigen, welche Ursachen genau für den überragenden photoelektrischen Effekt verantwortlich sind.

Eine Vermutung hat Dr. Akash Bhatnagar aber schon: „Offenbar führt die Interaktion der Gitterschichten dazu, dass die Elektronen aufgrund der Anregung durch die Photonen des Lichts deutlich leichter abfließen können.”

Der Wechsel von ferroelekrischen und paraelektrischen Kristallen macht‘s

Dr. Bhanagar betont: „Wichtig dabei ist, dass sich ein ferroelektrisches mit einem paraelektrischen Material abwechselt. Letzteres weist zwar keine getrennten Ladungen auf, kann unter bestimmten Bedingungen, etwa bei niedriger Temperatur oder leichten Modifikationen der chemischen Struktur, jedoch ferroelektrisch werden.“

Die Forschungsgruppe von Bhatnagar hat herausgefunden, dass der photovoltaische Effekt nochmals deutlich verstärkt wird, wenn sich die ferroelektrische Schicht nicht nur mit einer, sondern mit zwei verschiedenen paraelektrischen Schichten abwechselt.

Die Studie „Stark verbesserter und abstimmbarer photovoltaischer Effekt in ferroelektrisch-paraelektrischen Übergittern“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), der Deutschen Forschungsgemeinschaft und mit Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) unterstützt. Die Ergebnisse, die zu einer deutlich höheren Effizienz von Solarmodulen beitragen könnten, wurden erstmals in der Fachzeitschrift „Science Advances“ aus Washington, DC, Cambridge, UK, und Beijing, China, am 2. Juni 2021 veröffentlicht.

Jetzt fehlt nur noch ein Produzent. Schließlich schlägt sich fehlender Ökostrom in Deutschland auf die Strompreise nieder, wie Business Leaders hier aufzeigte. (FM)