Wer in dem renommierten internationalen Wissenschaftsmagazin „Science Advances“ veröffentlicht, ist zu gravierenden Erkenntnissen gelangt – und will diese mit der (Forschungs-)Welt teilen und diskutieren. Beispielsweise sind die Suche nach alternativen Solarzellenkonzepten und -materialien und die Frage, wie sich deren Leistungskapazität erhöhen lässt, für die Fachwelt und schlussendlich auch für die Anwender hochinteressant.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) zeigen in einer Studie, wie sich der photovoltaische Effekt von Solarzellen aus ferroelektrischen oxidischen Materialien um den Faktor 1000 erhöhen lässt. Das Team um den Physiker Akash Bhatnagar forscht am Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) SiLi-nano der MLU. Das ZIK wird vom Bundesforschungsministerium gefördert. „SiLi-nano – Silizium und Licht – von makro zu nano“ – hatte bei seiner Gründung 2009 für sich die Schnittstelle von Silizium-Photovoltaik und Silizium Photonik als ein besonderes Forschungsgebiet definiert. Inzwischen hat sich das Forschungsfeld auf weitere Materialien und deren Wechselwirkung mit Licht ausgedehnt.

Bhatnagar leitet hier seit vier Jahren die Nachwuchsgruppe „Light-for-High-Voltage Photovoltaics“. Sie forscht an Zukunftsmaterialien mit ferroelektrischen Eigenschaften. „Ferroelektrisch bedeutet, dass solche Materialien räumlich getrennte positive und negative Ladungen besitzen", erklärt Bhatnagar. "Die Ladungstrennung hängt mit einer asymmetrischen Struktur zusammen, die eine Stromerzeugung unter Licht ermöglicht.“ Bislang allerdings hätten ferroelektrische Materialien in der Photovoltaik kaum Beachtung gefunden.

Kristallgitter erhöht photovoltaischen Effekt

„Aktuell basieren die meisten Solarzellen auf Silizium, doch ihr Wirkungsgrad ist begrenzt“, sagt Bhatnagar. „Aber ferroelektrische Materialen“, so der Wissenschaftler, „sind genauso in der Lage, bei Licht Spannungen zu generieren. Sie funktionierten aber nach einem völlig anderen physikalischen Mechanismus.“

Seit einigen Jahren forscht Bhatnagars Nachwuchs-Team am ZIK SiLi-nano an neuen ferroelektrischen Materialen und hat herausgefunden, dass sich der photovoltaische Effekt der ferroelektrischen Kristalle um den Faktor 1000 erhöhen lässt, wenn drei verschiedene Materialien in einem Gitter angeordnet werden. Dafür erzeugten die Wissenschaftler kristalline Schichten aus Barium-, Strontium- und Calciumtitanat, die sie abwechselnd übereinanderlegten. Dabei haben sie entdeckt, dass der photovoltaische Effekt nochmals deutlich verstärkt werden kann, wenn das Bariumtitanat zwischen dem Strontium- und dem Calciumtitanat eingebettet wird. Dafür werden die Kristalle mit einem Hochleistungslaser verdampft und auf Trägersubstraten wieder abgelagert.

Multischichtsystem für Solarzelle geeignet

Doktorandin Yeseul Yun ist federführende Autorin der Studie, die jetzt im Fachjournal „Science Advances“ veröffentlicht wurde. „Das neu hergestellte Material“, erklärt sie, „besteht aus 500 Atomlagen und ist etwa 200 Nanometer dick. Für die photoelektrischen Messungen wurde es mit Laserlicht bestrahlt.“ Das Ergebnis überraschte selbst die Forschungsgruppe. „Offenbar führt die Interaktion der Gitterschichten dazu, dass die Elektronen aufgrund der Anregung durch die Photonen des Lichts deutlich leichter abfließen können”, vermutet Akash Bhatnagar.

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