Forscher:innen der Universität Halle-Wittenberg haben in einer neuen Studie gezeigt, dass sich der photovoltaische Effekt ferroelektrischer Kristalle in Solarzellen um den Faktor 1.000 erhöhen lässt, wenn drei verschiedene Kristallschichten aus unterschiedlichen Materialien in einem Gitter angeordnet werden.
Gegenwärtig basieren die meisten Solarzellen auf Silizium, dessen Wirkungsgrad begrenzt ist. Daher wird seit Jahren an neuen Materialen geforscht, wie etwa an Ferroelektrika, zu denen zum Beispiel Bariumtitanat gehört, welches ein Mischoxid aus Barium und Titan ist. Ferroelektrisch bedeutet, dass das Material räumlich getrennte positive und negative Ladungen besitzt. Diese Ladungstrennung führt zu einer asymmetrischen Struktur, welche eine Stromerzeugung unter Licht ermöglicht. Im Gegensatz zu Silizium benötigen ferroelektrische Kristalle für den photovoltaischen Effekt keinen pn-Übergang, also keine positiv und negativ dotierten Schichten, was die Herstellung von Solarmodulen wesentlich erleichtert.
Reines Bariumtitanat absorbiert jedoch wenig Sonnenlicht und erzeugt dementsprechend einen vergleichsweise geringen Lichtstrom. Die ForscherInnen der Universität Halle-Wittenberg fanden jedoch heraus, dass die Kombination verschiedener Materialien in extrem dünnen Schichten die Ausbeute der Sonnenenergie deutlich erhöht. Dabei ist es wichtig, dass sich ein ferroelektrisches mit einem paraelektrischen Material abwechselt. Paraelektrische Materialien weisen zwar keine getrennten Ladungen auf, jedoch können sie unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel bei niedriger Temperatur oder leichten Modifikationen der chemischen Struktur, ferroelektrisch werden.
Weiter fanden die ForscherInnen heraus, dass sich der photovoltaische Effekt nochmals deutlich verstärkt, wenn sich die ferroelektrische Schicht nicht nur mit einer, sondern mit zwei verschiedenen paraelektrischen Schichten abwechselt. Das Forscherteam erzeugte kristalline Schichten aus Barium-, Strontium- und Calciumtitanat, die sie abwechselnd übereinanderlegten. Dafür wurden die Kristalle mit einem Hochleistungslaser verdampft und auf Trägersubstraten wieder abgelagert. Das so hergestellte Material besteht aus 500 Schichten und ist etwa 200 Nanometer dick.
Bei den anschließenden photoelektrischen Messungen wurde das neue Material mit Laserlicht bestrahlt und es zeigte sich, das der Stromfluss bis zu 1.000 Mal stärker war als es Messungen mit reinem Bariumtitanat ergeben hatten. Dabei führte die Interaktion der Gitterschichten zu einer wesentlich höheren Permittivität, also dazu, dass die Elektronen aufgrund der Anregung durch die Lichtphotonen deutlich leichter abfließen können. Die Messungen zeigten zudem, dass dieser Effekt sehr robust ist, denn er war über einen Zeitraum von sechs Monaten nahezu konstant. Weitere Forschungen müssen nun zeigen, welche Ursachen genau für den überragenden photoelektrischen Effekt der neuen Materialien verantwortlich sind.
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