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Laborbericht: Durchsichtige Solarzellen eine Frage des p-Leiters

(8.7.2009) Wären Solarzellen durchsichtig, ließen sie sich auch auf Fensterscheiben und Hausfassaden anbringen. Physikalische Werkstoffmodellierung hilft dabei, passende Materialien für transparente Elektronik zu entwickeln und so die Basis für durchsichtige Solarzellen zu legen.

Die Fensterscheibe eröffnet den Blick auf den Garten und das angrenzende Feld - und sieht aus wie jedes andere Fenster. Doch sie hat es in sich: Sie produziert Strom. Auch die Fassaden des Hauses nutzen die Sonne, um die Bewohner mit elektrischer Energie zu versorgen. So könnte die Stromversorgung der Zukunft aussehen. Die Fläche, die man zur Energiegewinnung nutzen könnte, würde durch transparente Solarzellen drastisch steigen.

Um die Vision von durchsichtigen Solarzellen und transparenter Elektronik real werden zu lassen, bräuchte man zwei verschiedene transparente Schichten: 

  • Solche, die den Strom über Elektronen leiten, die n-Leiter, und
  • solche, in denen Elektronenlöcher für den Stromfluss sorgen, die p-Leiter.

Um diese Materialien herzustellen, "verschmutzen" oder dotieren die Ingenieure das Grundmaterial mit wenigen anderen Atomen. Je nachdem, welche Atome sie dafür verwenden, erhalten sie die unterschiedlich leitenden Materialien. N-leitende transparente Stoffe sind Stand der Technik. Bei den p-Leitern sieht es allerdings schlecht aus: Die Leitfähigkeit ist zu gering, und oft hapert es auch an der Transparenz. Die Hersteller wünschen sich daher ein transparentes Grundmaterial, das sich gut n- und p-dotieren lässt.

Für die n-Leiter verwendet man bisher vor allem Indium-Zinn-Oxid. Eine teure Angelegenheit: Indium ist rar geworden, sein Preis hat sich seit 2002 verzehnfacht. Die Suche nach Ersatzstoffen läuft daher auf Hochtouren. Welche Stoffe eignen sich am besten? Womit dotiert man sie, um eine gute Leitfähigkeit zu erreichen? Wie sieht es mit der Transparenz aus? Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM haben im Verbundprojekt METCO mit weiteren Fraunhofer-Kollegen werkstoffphysikalische Modelle und Methoden entwickelt, die bei der Suche helfen.


Das Modell zeigt Atome, die in einer regelmäßigen Kristallstruktur angeordnet sind (Randbereiche). In der Mitte des Modells sind Unregelmäßigkeiten zu erkennen, eine "Korngrenze".

"Könnte man transparente p-Leiter mit ausreichender Leitfähigkeit herstellen, ließe sich komplett durchsichtige Elektronik herstellen", sagt Dr. Wolfgang Körner, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWM. Die Forscher ermitteln aus elektronenmikroskopischen Aufnahmen zunächst die Korngrenzen, die im Material am häufigsten vorkommen - also Unregelmäßigkeiten in der Kristallstruktur (Bild oben). Diese Defektstrukturen werden Atom für Atom modelliert. Simulationsmethoden berechnen, wie die Elektronen in diesen Strukturen und damit im Festkörper verteilt sind. Aus den Daten extrahieren die Forscher, wie leitfähig und transparent das Material ist. "So konnten wir etwa herausfinden, dass Phosphor sich für eine p-Dotierung von Zinkoxid zwar eignet, Stickstoff jedoch vielversprechender ist", sagt Körner.

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