Die platzsparende 3D-Solarzelle

Denn sie liefert am meisten Strom, wenn das Licht in einem Winkel von 45 Grad einfällt. "Anders als konventionelle ebene Zellen muss unsere 3-D-Solarzelle nicht präzise im rechten Winkel zum Sonnenlicht ausgerichtet werden", sagt Ready.

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Als künftige Anwender der neuen Zellen hat der Forscher zunächst die Raumfahrt im Visier. Zum einen, weil 3-D-Solarzellen kompakter sind als ebene Zellen und bei geringerem Platzbedarf den gleichen Strom produzieren. Sperrige Sonnensegel wären nicht mehr nötig. "Satelliten und andere Raumsonden bräuchten außerdem keine mechanischen Vorrichtungen mehr, um die Sonnenkollektoren auszurichten. Das würde sowohl das Gewicht als auch die Störanfälligkeit verringern", sagt Ready.

Den Prototyp der 3-D-Solarzellen stellte der amerikanische Wissenschaftler kürzlich zusammen mit Kollegen im "Journal of the Minerals, Metals and Materials Society" vor. Für ihre raffinierte Lichtfalle entwickelten Ready und seine Kollegen aus Atlanta zunächst ein Verfahren, um ihr Mini-Manhattan auf einem Siliziumwafer wachsen zu lassen. Dazu nutzten sie unter anderem Verfahren aus der Chipherstellung: Mithilfe der Fotolithografie erzeugten sie zunächst ein Feld aus quadratischen Eisenplättchen auf der Siliziumscheibe. Anschließend setzten sie den Wafer bei 700 Grad Celsius einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffgasen aus, woraufhin sich auf den Eisenplättchen quadratische Türme, bestehend aus Millionen winziger Kohlenstoff-Nanoröhren, bildeten.

Danach beschichteten sie die Türme mit den Halbleitermaterialien Kadmiumtellurid und Kadmiumsulfid, die zusammen die fotovoltaisch aktive Schicht bilden. Den Abschluss machte eine Schicht des durchsichtigen, leitfähigen Materials Indium-Zinn-Oxid als Elektrode. Die Kohlenstofftürme bilden das Gerüst der dreidimensionalen Struktur, und weil sie elektrisch leitfähig sind, schließen sie den Stromkreislauf.

Schräg einfallendes Licht wird eingefangen

Der Trick von Readys Zellen besteht darin, dass sie schräg einfallendes Licht in den engen Straßenschluchten zwischen den Türmen einfangen können. Ein Photon, das nicht beim ersten Kontakt mit dem fotoaktiven Halbleitermaterial absorbiert wird, läuft wie eine Billardkugel zwischen den Turmwänden hin und her, bis es schließlich doch eingefangen wird und ein Elektron aus dem Kristallgitter herausschlägt. "Wir haben jetzt bewiesen, dass das Konzept funktioniert, nun suchen wir Partner für die Kommerzialisierung", sagt Ready.

Der Wirkungsgrad der 3-D-Prototypen ist derzeit noch bescheiden: Steht die Sonne im Zenit, wandelt die Zelle 3,5 Prozent der einfallenden Sonnenenergie in elektrische Energie um, bei einem Winkel von 45 Grad sind es immerhin schon sieben Prozent. "Unsere Modellrechnungen zeigen, dass Wirkungsgrade über 40 Prozent möglich sind", sagt Ready. Zum Vergleich: Derzeit in der Raumfahrt verwendete Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von 30 Prozent, erläutert Gerhard Willeke vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. "Die Kunst wird also darin bestehen, diese interessante Grundlagenforschung in ein industrialisierbares Verfahren umzusetzen", sagt der Abteilungsleiter Solarzellen am ISE.