Der flexo-photo­volta­ische Effekt

Schema des flexo-photovoltaischen Effekts, der dank einer Änderung der Kristall­struktur unter einer Druck­belastung in Halb­leitern wie etwa Silizium auftritt. (Bild: M. Garlick, U. Warwick)

Weltweit werden bisher knapp zwei Prozent des Strom­bedarfs mit Solar­kraft­werken gedeckt, in Deutschland immerhin schon etwa sechs Prozent. Ein starker Anstieg ist dank drastisch gefallender Modul­preise und Wirkungs­graden über zwanzig Prozent zu erwarten. Britische Physiker fanden nun einen eleganten Weg, um die Effizienz von Solar­zellen über einen weiteren photo­elektrischen Effekt sogar nochmals steigern zu können. Grund­lage ist eine geringe Verformung des Halbleiter­materials unter Druck. Diesen flexo-photo­voltaischen Effekt wiesen sie beispiel­haft an Titan­dioxid, Strontium­titanat und Silizium nach.

Ferroelektrische Materialien wie Barium­titanat zeigen einen bisher wenig beachteten photo­voltaischen Fest­körper­effekt ohne einen p-n-Übergang, wie er in konventionellen Solar­zellen üblich ist. Trifft polarisiertes Licht auf ein Ferro­elektrikum, entsteht eine Spannung, die größer ist, als es der Band­lücke der Materials entspricht. Die Ursache für diesen anomalen photo­voltaischen Effekt liegt in der nicht-zentral­symmetrischen Kristall­struktur. Für Solar­zellen, die allein diesen Effekt nutzen, ist der Wirkungs­grad viel zu klein. Doch als zusätzlicher Effekt könnte er die Wirkungs­grade herkömmlicher Solarzellen unabhängig vom Shockley-Queisser-Limit ein wenig steigern.

Diesen Ansatz verfolgten nun Marin Alexe und seine Kollegen von der University of Warwick in Coventry. Ihre Idee: Wird die zentral­symmetrische Struktur etwa von Silizium­kristallen verändert, sollte auch ein anomaler photo­voltaischer Effekt auftreten. Dazu konzipierten die Forscher ein Experiment, in dem sie mit der Spitze eines Atom­kraft­mikroskops punktuell zentral­symmetrische Ein­kristalle unter Druck setzen konnten. Zeit­gleich bestrahlten sie ihre Proben mit Laser­licht (405 Nano­meter Wellen­länge), um einen anomalen photo­voltaischen Strom­fluss der verformten Kristalle erzeugen zu können.

Für ihre Versuche wählten die Forscher Strontium­titanat, Titan­dioxid und Silizium. Mit der Mikroskop­spitze übten sie lokal begrenzt Kräfte von bis zu 18 Mikro­newton auf die zentral­symmetrisch aufgebauten Kristalle aus. Bei dieser Druck­belastung auf einem Bereich weniger Quadrat­nanometer gingen alle Kristalle in eine nicht-zentral­symmetrische Struktur über. Dabei ließ sich ein photo­voltaischer Strom­fluss mit hundert­fach vergrößerter Dichte von bis zu einem Ampere pro Quadrat­zentimeter nachweisen. Die lineare Strom-Spannungs­kurve zeigte dabei einen ähnlichen Verlauf wie bei beleuchteten Ferro­elektrika.

Alexe und Kollegen gehen davon aus, dass dieser Effekt nicht nur bei zentral­symmetrischen, anorganischen Halb­leiter­kristallen, sondern auch bei organischen Halb­leitern durch eine gezielte Druck­belastung auftreten sollte. Auch für Perowskit-Kristalle und topologische Isolatoren wie Bismut­tellurid ist dieser anomaler photo­voltaische Effekt relevant. So könnte eine gezielte Veränderung der jeweiligen symmetrischen Kristall­strukturen zur einer Erhöhung des Gesamt­wirkungs­grads von Solar­zellen aus diesen Materialien um geschätzt etwa ein Prozent führen.

Dieser flexoelektrische Effekt ließe sich bei Solar­zellen mit extrem dünnen Halb­leiter­schichten nutzen. Die britischen Forscher schlagen nun die Entwicklung von Tandem-Solar­zellen vor, in denen sich nano­strukturierte Spitzen im Schicht­aufbau integrieren ließen. Diese würden permanenten Druck auf die Halb­leiter­schichten ausüben, den zentral­symmetrischen Aufbau stören und so die Grund­lage für einen zusätzlichen flexo-photo­voltaischen Effekt legen. „Damit besteht die Chance, das thermo­dynamische Wirkungs­grad­maximum – das Shockley-Queisser-Limit – zu über­winden“, sagt Alexe. (Quelle: pro-physik.de, J. O. Löfken)

Referenz: M.-M. Yang et al.: Flexo-photovoltaic effect, Science, online 19. April 2018; DOI: 10.1126/science.aan3256

Link: Functional Electronic Materials (M. Alexe), University of Warwick, Coventry, Großbritannien

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