Graphen in Photovoltaikzellen ermöglicht ganz neue Möglichkeiten

Graphen Schicht mit Silizum bedeckt
Graphen Schicht mit Silizum bedeckt (Quelle: Marc A. Gluba/HZB)

Bisher dachte man, dass Graphen unter Kontakt zu benachbarten Schichten aus anderen Materialien seine Eigenschaften drastisch verändert. Theoretisch besitzt ideales Graphen, welches aus nur einer Lage Kohlenstoffatome besteht, eine enorm hohe Lichtdurchlässigkeit sowie Leitfähigkeit. Zudem ist es auch noch billig und ungiftig. Deshalb würde es sich als transparente Kontaktschicht in Photovoltaikzellen sehr gut zum Abführen des Stroms eignen.

Dass die Wechselwirkungen von Graphen und anderen Materialien verhindern werden können, zeigt nun eine Studie von Dr. Marc Gluba und Prof. Dr. Norbert Nickel vom HZB-Institut für Silizium-Photovoltaik. Diese Erkenntnis ermöglicht bei Dünnschicht-Photovoltaikzellen ganz neue Möglichkeiten.

Graphen in Verbindung mit Silizium bleibt Graphen

In der Studie haben Dr. Marc Gluba und Prof. Dr. Norbert Nickel Graphen auf einer Kupferfolie hergestellt und diese Schicht auf ein Glas-Substrat aufgebracht. Darüber wurde eine dünne Schicht aus Silizium gegeben. Herkömmliche Photovoltaikzellen besitzen anstatt Graphen eine Kontaktschicht aus Zinkoxid.

Mit der Hilfe des Hall-Effekts (Auftreten einer elektrischen Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem stationären Magnetfeld befindet. Die Spannung fällt dabei senkrecht sowohl zur Stromfluss- als auch zur Magnetfeldrichtung am Leiter ab) wurde die Beweglichkeit der Ladungsträger in der eingebetteten Graphenschicht gemessen. Man hatte die Befürchtung, dass das Graphen durch das Aufbringen der Siliziumschmelze seine positiven Eigenschaften verliert. Des Weiteren wurde vermutet, dass die sehr dünne Schicht von etwa 0,3 Nanometer nach der Erstarrung der Schmelze nicht mehr nachweisbar ist.

Entgegen aller Vermutungen waren die Ergebnisse durchgehend positiv. Die Beweglichkeit der Ladungsträger in der Graphenschicht ist 30mal höher als in herkömmlichen Schichten aus Zinkoxid.

Probleme macht noch die Herstellung einer Verbindung von der sehr dünnen Graphenschicht zu äußeren Kontakten. „Die Kollegen von den Dünnschichttechnologien spitzen schon die Ohren und wollen das einbauen“, sagt Nickel.

Die Versuche wurden an wenige Quadratzentimeter großen Flächen durchgeführt. Möglich wäre es jedoch jetzt schon, viel größere Flächen mit Graphen und Silizium zu beschichten.

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