Die photovoltaische Wirkung ferroelektrischer Kristalle lässt sich um den Faktor 1,000 steigern, wenn drei verschiedene Materialien periodisch in einem Gitter angeordnet werden. Das haben Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) in einer Studie ergeben. Dies erreichten sie, indem sie kristalline Schichten aus Bariumtitanat, Strontiumtitanat und Calciumtitanat erzeugten, die sie abwechselnd übereinander legten. Ihre Erkenntnisse, die die Effizienz von Solarzellen deutlich steigern könnten.
Die meisten Solarzellen basieren derzeit auf Silizium; ihre Effizienz ist jedoch begrenzt. Dies hat Forscher dazu veranlasst, neue Materialien zu untersuchen, etwa Ferroelektrika wie Bariumtitanat, ein Mischoxid aus Barium und Titan. „Ferroelektrisch bedeutet, dass das Material positive und negative Ladungen räumlich getrennt hat“, erklärt der Physiker Dr. Akash Bhatnagar vom Center for Innovation Competence SiLi-nano der MLU. „Die Ladungstrennung führt zu einer asymmetrischen Struktur, die es ermöglicht, aus Licht Strom zu erzeugen.“ Im Gegensatz zu Silizium benötigen ferroelektrische Kristalle keinen sogenannten pn-Übergang zur Erzeugung des photovoltaischen Effekts, also keine positiv und negativ dotierten Schichten. Dies macht es viel einfacher, die Solar Platten.
Reines Bariumtitanat absorbiert jedoch nicht viel Sonnenlicht und erzeugt daher einen vergleichsweise geringen Photostrom. Neueste Forschungen haben gezeigt, dass die Kombination von extrem dünnen Schichten unterschiedlicher Materialien den solaren Energieertrag deutlich erhöht. „Wichtig ist hier, dass sich ein ferroelektrisches Material mit einem paraelektrischen Material abwechselt. Letzteres hat zwar keine getrennten Ladungen, kann aber unter bestimmten Bedingungen ferroelektrisch werden, zum Beispiel bei niedrigen Temperaturen oder wenn seine chemische Struktur leicht verändert wird“, erklärt Bhatnagar.
Bhatnagars Forschungsgruppe fand heraus, dass der photovoltaische Effekt stark verstärkt wird, wenn sich die ferroelektrische Schicht nicht nur mit einer, sondern mit zwei verschiedenen paraelektrischen Schichten abwechselt. Forscher, erklärt: „Wir haben das Bariumtitanat zwischen Strontiumtitanat und Calciumtitanat eingebettet. Dies wurde erreicht, indem die Kristalle mit einem Hochleistungslaser verdampft und auf Trägersubstraten wieder abgeschieden wurden. So entstand ein Material aus 500 Schichten, das etwa 200 Nanometer dick ist.“
Bei der Durchführung der photoelektrischen Messungen wurde das neue Material mit laser Licht. Das Ergebnis überraschte selbst die Forschergruppe: Im Vergleich zu reinem Bariumtitanat ähnlicher Dicke war der Stromfluss bis zu 1,000-mal stärker – und das, obwohl der Anteil von Bariumtitanat als photoelektrischer Hauptkomponente um fast zwei Drittel reduziert wurde . „Die Wechselwirkung zwischen den Gitterschichten scheint zu einer viel höheren Permittivität zu führen, das heißt, die Elektronen können durch die Anregung durch die Lichtphotonen viel leichter fließen“, erklärt Akash Bhatnagar. Die Messungen zeigten auch, dass dieser Effekt sehr robust ist: Er blieb über einen Zeitraum von sechs Monaten nahezu konstant.
Nun muss weiter geforscht werden, um genau herauszufinden, was den herausragenden photoelektrischen Effekt verursacht. Bhatnagar ist zuversichtlich, dass das Potenzial des neuen Konzepts für praktische Anwendungen in Solarmodulen genutzt werden kann. „Der Schichtaufbau zeigt in allen Temperaturbereichen eine höhere Ausbeute als reine Ferroelektrika. Zudem sind die Kristalle deutlich haltbarer und benötigen keine spezielle Verpackung.“
