Ressort:Spectrum, Datum:31.10.1998
Form und Funktion:
Silberglanz und Effizienz der Solarzelle
An EU-Projekten zur Verschönerung und Verbesserung von Solarzellen arbeiten auch österreichische Forscher mit.
VON THOMAS KRAMAR
"Form ever follows
function." Diesen - häufig um das Wörtchen
"ever" verkürzten - Satz prägte der Architekt Louis
Sullivan 1896. Er meinte ihn als Programm: Die Formen eines Gebäudes
sollten die ihm zugedachten Funktionen abbilden. Man kann ihn aber auch
als nüchternes Statement verstehen. Die Technik diktiert oft die
Ästhetik, ob Architekt und Benützer das wollen oder nicht. Man denke nur
an ein Flugzeug: Wohl jeder Passagier mit Fensterplatz würde einen weiten
Blick auf die Wolken, den Himmel bevorzugen - doch die Statik
verbietet es. Die kleinen Fenster sind schon ein Kompromiß.
Ähnlich ist es bei Solarzellen: Ihre Funktion diktiert die Form. Der
Wiener Michael Radike arbeitet gemeinsam mit seinem Chef Johann
Summhammer, der im "Hauptberuf" Quantenoptiker ist, daran, der
Technik - Photovoltaik genannt - neue Kompromisse
abzuringen. In seinem Labor im Keller des Atominstituts liegen unzählige,
ungefähr zehn mal zehn Zentimeter große quadratische Platten herum
- mit geheimnisvoll anmutenden Strichmustern darauf, manche wild
glitzernd, manche eher matt, manche silbrig, manche bunt: die
Mosaiksteine von Solaranlagen.
Was bestimmt das Aussehen von Solarzellen? Natürlich ihre Funktion: die
von der Sonne gratis gelieferte Energie in elektrischen Strom
umzuwandeln. Das passiert auf Basis des sogenannten inneren Photoeffekts.
Man braucht dafür ein Halbleiter-Material, in dem sich Ladungen leicht
trennen und verschieben lassen, am besten mit Bor dotiertes Silizium in
Form einer Platte. Eine Seite dieser Platte ist zusätzlich mit Atomen
dotiert, die ein Valenzelektron weniger haben als Silizium
("Akzeptoren", hier Aluminium), die andere Seite mit Atomen, die
ein Valenzelektron mehr haben ("Donatoren", hier Phosphor).
Frei beweglich Ladungen: Elektronen und Löcher
Durch die Sonnenenergie werden nun Elektronen so angeregt, daß sie aus
dem Valenzband ins Leitungsband gehoben werden, also frei beweglich werden.
Zurück bleibt ein positiv geladenes "Loch", auch
"Defektelektron" genannt. Die Elektronen wandern in Richtung
Phosphor, die Löcher in Richtung Aluminium. Durch diese räumliche
Trennung der Ladungen entsteht eine Potentialdifferenz (Spannung) zwischen
den beiden Oberflächen der Platte. Abgeleitet werden die Elektronen
- und damit der elektrische Strom - durch eine
Silberelektrode in Form von Linien aus einer silberhaltigen Paste auf der
Phosphor-Seite.
Dabei sind die Möglichkeiten, die Silberlinien anzuordnen, beschränkt:
Wenn sie zu weit voneinander entfernt sind, also der Weg, den die
Elektronen zurücklegen müssen, zu lang ist, dann haben die Ladungen
zuviel Gelegenheit, wieder zusammenzufinden, zu rekombinieren. Zu viele
Linien sind aber auch nachteilig: Denn dann wird der Anteil der
Siliziumfläche an der Gesamtoberfläche zu klein.
Als ideal hat sich ein Muster bewährt, in dem normal auf eine Menge ganz
feiner Linien (zirka ein Zehntel Millimeter breit) zwei zueinander
parallele dickere Linien ("bus bars", zirka zwei Millimeter breit)
stehen, die den Strom abtransportieren; an ihrem Ende sind die Kabel
angelötet. Jede Veränderung dieses Standard-Strichmusters bringt, so
Radike, notwendigerweise eine Verschlechterung der Effizienz der
Solarzelle. "Die Frage ist nur: Wie kann man die Verschlechterung
minimieren?"
Radike hat zehn Muster ausgesucht und mit Siebdruck auf die üblichen
Siliziumscheiben (zirka zehn mal zehn Zentimeter groß) aufgebracht. Durch
mathematisch exakt berechnete Anpassung der Feinstruktur gelang es, die
Verluste unter 0,5 Prozent absolut zu halten. Und durch geschickte
Kombination dieser Grundmotive kann er alle möglichen weiteren Muster
erzeugen - zum Beispiel das "BP"-Zeichen.
Schon solar: Tankstelle an der Triester Straße
Warum gerade dieses? Die Firma BP engagiert sich stark in der
Photovoltaik, sie ist heute der größte Solarzellen-Produzent weltweit. Im
Jahr 2005 sollen alle ihre Tankstellen in Österreich mit Solarzellen
ausgestattet sein. Eine Tankstelle an der Triester Straße hat schon
umgerüstet: Die Info-Säulen und Teile der Beleuchtung werden mit
Sonnenenergie betrieben, in Zukunft sollen Elektroautos direkt aus
Solarzellen gewonnenen Strom "tanken".
Das Muster namens "Delhi" (siehe Bild links unten) hat bei einer
Londoner Bank Gefallen gefunden: Wenn man es nämlich um neunzig Grad
dreht, sieht es aus wie ein Dollarzeichen. Radike war darüber selbst
überrascht: "Das war eigentlich nicht beabsichtigt."
Als nächstes bastelt Radike an sechseckigen und runden Solarscheiben
- und er befaßt sich mit einem anderen Problem der Solarzellen.
Silizium ist nämlich nicht gleich Silizium. Dieses gibt es in
einkristalliner, mikrokristalliner, multikristalliner und völlig
amorpher, also strukturloser Ausfertigung. Am besten funktioniert der
Photoeffekt in einkristallinem Silizium, das aus einem einzigen Kristall
besteht, in dem die Elektronen auf ihrer Wanderung nicht durch
Korngrenzen behindert werden. Leider sind solche Einkristalle sehr teuer
und werden fast nur für Weltraum-Zwecke verwendet, wo es, so Radike,
"egal ist, was es kostet". Bei multi- und mikrokristallinem
Silizium - der Unterschied liegt in der Größe der
Kriställchen - muß man mit den Korngrenzen zwischen den
einzelnen Kriställchen leben. Ästhetisch allerdings ist es gar nicht so
schlecht: Es erinnert ein bißchen an Marmor.
Radike arbeitet nun an einem Verfahren, mit dem man die Silberlinien
genau an den Korngrenzen auftragen kann - in Form von
silberhaltiger Tinte, mit einem handelsüblichen Drucker der Firma Canon,
den er dafür adaptiert hat.
Die Solarzellen-Forschung am Atominstitut ist Teil eines EU-Projekts
namens "Bimode", das zum Ziel hat, "ästhetisch erfreuliche"
Prototypen von Solarzellen herzustellen. Wichtig dabei ist natürlich auch
die Farbe: Diese wird durch die Dicke der Antireflexschicht (aus
Titandioxid) bestimmt, deren primäre Funktion es ist, möglichst viel
Licht in der Schicht zu halten. Die Farben ändern sich auch mit dem Lichteinfall
und mit dem Grad der Bewölkung; man kann sie durch Filter oder Anätzen
der Oberfläche beeinflussen. Um die künstlerischen Aspekte kümmert sich
die Kunsthochschule für Medien und Medienkunst in Köln.
Dünnschicht-Solarzellen am Institut für Materialphysik
Eine zweite Wiener Arbeitsgruppe beteiligt sich an einem EU-Projekt
zum Thema Solarzellen: die Abteilung "Photovoltaik" (Institut
für Materialphysik der Uni Wien, um Viktor Schlosser und Alexander
Breymesser) an "Crystal". Während konventionelle Silizium-Platten,
wie sie auch Radike verwendet, aus Blöcken geschnitten werden, befaßt
sich dieses Projekt mit mikrokristallinen Dünnschicht-Solarzellen auf
Glas. Diese entstehen durch Aufdampfen von im Trägergas Trichlorsilan
suspendiertem Silizium, bei relativ niedrigen Temperaturen: Die
Arbeitsgruppe in Barcelona ist schon bei 150 Grad Celsius angelangt!
Der Vorteil der aufgedampften dünnen Schichten ist, daß man viel weniger
Material braucht, leichter große chemische Reinheit erzielt und kein
Silizium beim Schneiden und Sägen aus größeren Brocken verliert. Die
Photovoltaiker an der Uni Wien arbeiten daran, solche dünnen Schichten
optisch und elektrisch zu charakterisieren. Wesentlich ist dabei die
Natur der Korngrenzen, die ja die wesentlichen Barrieren für den
Ladungstransport darstellen.
Hier, an der Uni Wien, eher Grundlagenforschung, dort, am Atominstitut,
eher anwendungsorientierte Forschung - man spürt in Wien so etwas
wie Aufbruchsstimmung in Sachen Photovoltaik. Ab Sommersemester werden auch
eine Vorlesung und ein Praktikum angeboten.
Alternative in Linz: Kunststoff statt Silizium
Noch eine dritte österreichische Gruppe befaßt sich mit Solarzellen:
Niyazi Serdar Sariciftci und Kollegen an der Universität Linz arbeiten an
Zellen, die aber nicht aus Silizium, sondern aus Kunststoff (aus
konjugierten Polymeren) sind. Vorteil: Sie sind in der Herstellung
billig. Nachteil, bisher: Ihr Wirkungsgrad ist noch relativ niedrig
- ein Prozent, im Vergleich zu zwischen 12 und 16 Prozent bei handelsüblichen
Siliziumzellen.
Radike schwärmt vom "Photovoltaics"-Zentrum an der University of
New South Wales in Australien: "Dort haben sie vor 15 Jahren so
angefangen wie wir jetzt. Und heute kommen die Firmen und sagen: Bitte,
dürfen wir Ihnen unsere Geräte hinstellen?" Im australischen
Hinterland ("Outback") steht schon alle 41 Kilometer eine
Solaranlage: Mit Sonnenenergie wird das Wasser von Norden nach Süden
gepumpt. Und bei den Olympischen Spiele in Sydney 2000 soll im
Olympischen Dorf jedes Haus mit Solarzellen ausgestattet sein. Vielleicht
mit Mustern, die derzeit in einem Keller des Wiener Atominstituts
ausgetüftelt werden?
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"Delhi" |
"Standard" |
"Kreuz" |
"Zopf" |
"Crack" |
Changes 21.Mar.2001 by J.Summhammer