Durchbruch bei Solarzellen
US-Wissenschaftler wollen in "Indium Gallium Nitride" [InGaN] ein Material gefunden haben, mit dem die Effizienz von Solarzellen bis auf 50 Prozent statt bisher maximal 30 gesteigert werden könnte.
Heutige Solarzellen bestehen aus verschiedenen Schichten zweier Halbleiter, um das Licht optimal zu nützen, können aber nur maximal 30 Prozent des Sonnenlichts verwerten.
Dabei nutzen die Zellen die verschiedenen Schichten, um Photonen aus dem Sonnenlicht zu absorbieren und in elektrischen Strom umzuwandeln. Jeder Halbleiter kann aber nur bestimmte Photonen nutzen, seine spezielle "Bandbreite" [die Autoren nennen es "Bandgap" - Bandlücke].
Theoretiker hatten bereits ausgerechnet, welche Bandlücken eine Effizienz von 50 Prozent ergeben würden.
Laut Wladek Walukiewicz und seinem Team im Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien geht mit InGaN die Rechnung auf.
Lawrence Berkeley National LaboratoryÜbereinstimmung mit Solarspektrum
Durch Variierung des Verhältnisses von Indium und Gallium in den verschiedenen Schichten der Zellen konnten sie die Bandbreite von InGaN so verändern, dass es die theoretischen Bedingungen erfüllt.
Da die Bandbreite mit dem Solarspektrum so gut übereinstimmt, könnte eine Zelle mit verschiedenen Schichten, die auf die richtigen Bandlücken abgestimmt wurden, sogar eine noch höhere Ausnutzung des Sonnenlichts erreichen.
Nach den Berechnungen der Wissenschaftler sollte InGaN das perfekte Material für Solarzellen sein. Das Material scheint immun gegen Störungslinien zu sein, die entstehen, wenn verschiedene Halbleiter aneinander stoßen. Diese Risse legen manche Halbleiter still, aber blaue Laser, die aus InGaN gebaut wurden, strahlen hell, obwohl sie mit Fehlern durchsetzt sind.
Kein optimales Material
InGaN sieht auf den ersten Blick nicht wie der perfekte Kandidat für Solarzellen aus. Die Kristalle sind mit Fehlern durchsetzt. Normalerweise würden die optischen Eigenschaften eines Halbleiters dadurch verringert werden. Die Legierung wird aber bereits erfolgreich für LEDs verwendet.
Haltbarkeit von Solarzellen im Weltraum
Die hohe Ausfallssicherheit von InGaN könnte auch die Lebensdauer von Solarzellen im Weltraum verlängern, wo wechselnde Temperaturen und kosmische Strahlung die Sonnenkollektoren der Satelliten zerstören. InGaN ist sehr hitzebeständig und wie andere Elemente der Gruppe-III-Nitride ausgesprochen resistent gegen Strahlung.
Bisher galt allerdings die Annahme, dass die Bandbreite von InGaN viel kleiner, ist und zwar die Hälfte der jetzt vorgestellten. Der Unterschied könnte in der Reinheit bei der Herstellung des verwendeten Materials liegen. Die Forscher führen in ihren Unterlagen aber auch eine sehr verbesserte Messweise an.
Das Team hofft nun auf eine Zusammenarbeit mit dem National Renewable Energy Laboratory in Colorado, um eine kostengünstige Methode zur Produktion zu finden.
Effiziente Halbleiter
Zahlreiche Faktoren limitieren die Effizienz von fotovoltaischen Zellen. Silizium ist zwar kostengünstig, aber bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität geht viel Energie in Form von Hitze verloren. Die effizientesten Halbleiter sind Legierungen aus Gruppe-III-Elementen des Periodensystems wie Aluminium, Gallium und Indium mit Elementen der Gruppe V wie Nitrogen und Arsen. Mehr dazu in den Links weiter unten.