US-Forscher: Solarzellen können das gesamte Lichtspektrum nutzen

Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory haben entdeckt, dass der Halbleiter Indiumgalliumnitrid (InGaN) das gesamte Spektrum der Sonnenstrahlung von Ultraviolett bis Infrarot aufnehmen kann. Damit könnten sich Wirkungsgrade von Photovoltaikzellen über 50 % ergeben.   Bislang ging die Forschung davon aus, dass Solarzellen nur sichtbares Licht (zwischen 380 und 780 Nanometern) absorbieren und der maximale Wirkungsgrad bei etwa 30 % liegt.

Die unerwartete, für die Photovoltaik eventuell bahnbrechende Entdeckung, gelang den Forschern bei der Forschung an Leuchtdioden (LEDs), die Strom in Licht umwandeln. Bei der Analyse des verwendeten Halbleitermaterials fanden sie heraus, dass sich die so genannten Bandlücken (Bereiche in denen Photonen Elektronen aus dem Halbleiter freisetzen) von InGaN-Legierungen über einen wesentlich größeren Bereich erstrecken, als in der Fachliteratur zu finden war. Dieses Ergebnis der Grundlagenforschung weise den Weg zu einer praktischen Anwendung von enormer Bedeutung, den leistungsfähigsten Solarzellen die es je gab, erklärte das Labor.

Die Materialforschungsgruppe von Wladek Walukiewicz fand heraus, dass die Bandlücke des bekannten, aus Indium Gallium und Stickstoff bestehenden, Halbleiters deutlich niedriger ist, als bisher angenommen. InGaN-Legierungen könnten somit das solare Energiespektrum (zwischen 400 und 2.500 nm) fast vollständig abdecken. „Es sieht so aus, als ob die Natur dieses Material hervorgebracht hat, damit es mit dem Sonnenspektrum übereinstimmt“, sagte Walukiewicz. Eine InGaN-Legierung eröffne die Möglichkeit, neue, höchst effiziente Mehrschichtzellen mit einem Wirkungsgrad von 50 bis 70 % relativ preiswert zu fertigen.

Damit ein großer Teil der Solarstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird, werden Hochleistungs-Solarzellen, zum Beispiel für die Raumfahrt, aus mehreren Schichten unterschiedlicher Halbleiter aufgebaut, in denen Licht mit einer bestimmten Wellenlänge den Transport elektrischer Ladungen auslöst – ein aufwändiges und entsprechend teures Verfahren. Eine Indiumgalliumnitrid-Legierung könnte dies vereinfachen: Bei hohem Gallium-Anteil nimmt sie viel UV-Strahlung (bis 400 Nanometer) auf; wird die Indium-Konzentration erhöht, absorbiert der Halbleiter sichtbares Licht sowie Infrarotstrahlung (langwellige Wärmestrahlung von 780 Nanometern bis zirka 10 Mikrometer). Eine Solarzelle aus zwei InGaN-Schichten könnte laut Lawrence Berkeley National Laboratory einen Wirkungsgrad von 50 % erreichen. Bei Zellen aus vielen dünnen Schichten sei sogar eine Effizienz von 70% möglich.

Weitere Informationen unter http://www.lbl.gov/msd/PIs/Walukiewicz/02/02_8_Full_Solar_Spectrum.html

22.11.2002   Quelle: Lawrence Berkeley National Laboratory, Material Sciences Division