In einem Silizium-Substrat eingeätzte Trichter unter dem Raster-Elektronenmikroskop. Oben messen sie im Durchmesser rund 800 Nanometer und laufen unten auf etwa hundert Nanometer spitz zu.
S. Schmitt/MPL
Eine Struktur im Säugetierauge hat Forscher dazu inspiriert, ein anorganisches Pendant für Solarzellen zu entwerfen. Prompt stieg die Lichtabsorption einer damit versehenen Dünnschichtsiliziumsolarzelle um 65 Prozent.
Mitten im Gelben Fleck der Netzhaut sitzt die Fovea Centralis, die Sehgrube, in der die trichterartigen, schlanken Farb-Sehzapfen ganz besonders dicht gepackt sind. Weil sie überdies eins zu eins mit Nervenzellen verschaltet sind, sehen wir in diesem kleinen Bereich ein maximal scharfes Bild. Diese dichtgepackte Zapfen-Struktur hat jetzt ein Team um Silke Christiansen dazu angeregt, eine ähnliche Struktur in Silizium nachzubilden und ihre Eignung als lichtsammelnde und -leitende Oberfläche für Solarzellen zu untersuchen. Christiansen leitet das Institut für Nanoarchitekturen für die Energiewandlung am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und eine Arbeitsgruppe am Max-Planck Institut für die Physik des Lichts (MPL).
Mit Hilfe etablierter Verfahren ätzten sie dicht an dicht mikrometerfeine, vertikale Trichter in ein Siliziumsubstrat. Mit Modellrechnungen und im Experiment testeten sie, wie solche Trichterfelder das einfallende Licht sammeln und in die aktive Schicht einer Siliziumsolarzelle leiten. Das Ergebnis: Durch diese Trichteranordnung steigt die Lichtabsorption in einer damit versehenen Dünnschichtsiliziumsolarzelle um 65 Prozent, was sich in deutlich verbesserten Solarzellparametern unter anderem einem erhöhten Wirkungsgrad widerspiegelt, wie die Forscher jetzt berichten.
Weitere photonische Anwendungen im Blick
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„Mit diesem interessanten ersten Ergebnis planen wir in verschiedenste Richtungen vorzudringen“, sagt Silke Christiansen. Sie und ihr Team arbeiten weiter an der Verbesserung von Dünnschichtsolarzellen auf Siliziumbasis und wollen die Trichter nun in robuste Zellkonzepte einbauen, die sich auch großflächig und kostengünstig realisieren lassen. Sebastian Schmitt, einer der beiden Erstautoren der Veröffentlichung, arbeitet aber auch an der Nutzung der Trichter für weitere photonische und mechatronische Anwendungen in LEDs und sensorischen Bauelementen. Erste Vorversuche seien vielversprechend.