Mit Nanotechnologie Infrarotlicht nutzen

Die Plasmonik ist ein spannendes und schnell Aufwind gewinnendes Forschungsgebiet. Von speziellem Interesse ist die in Edelmetall-Nanokristallen zu beobachtende lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (Localised Surface Plasmon Resonance, LSPR), die zu starker Lichtstreuung und verstärkten Licht-Materie-Wechselwirkungen führt. Jedoch beschränkt sich die LSPR in derartigen Fällen auf sichtbare Wellenlängen.

Neueste Studien haben ergeben, dass Halbleiternanokristalle mit reduziertem Kupfergehalt eine starke LSPR im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums aufweisen. Diese spannenden Erkenntnisse gestatten Spitzenwertverschiebungen zu höheren Wellenlängen im Vergleich zu den sichtbaren Wellenlängenbereichen und ermöglichen somit Halbleitermaterialien, die nahe den LSPR-Wellenlängen transparent sind.

Auf dieser Grundlage konzentrierte sich das EU-finanzierte Projekt "Near-infrared semiconductor plasmonic nanocrystals for enhanced photovoltaics" (NIRPLANA) auf die Synthese und den Einbau plasmonischer Nanokristalle in Dünnschicht-Photovoltaikzellen. Die Fortschritte im Rahmen des Projekts sollten den Weg zur Herstellung von Solarzellen bereiten, die Infrarotstrahlung einfangen, welche die meisten Zellen überhaupt nicht berücksichtigen.

Die Wissenschaftler entwickelten verschiedene plasmonische Nanokristallmaterialien, wobei Covellin als aussichtsreichster Kandidat für Photovoltaikanwendungen gilt. Die Steuerung von deren Dicke und Durchmesser gestattete die Abstimmung der LSPR-Amplitude, die eine Wellenlänge von etwa 1 Mikrometer Höhe verfügte.

Außerdem wurden drei verschiedene Materialien für die Absorberschicht synthetisiert. Die Absorptionskante von Bleisulfid-Nanokristallen erwies sich als ähnlich der LSPR-Amplitude der Covellin-Nanokristelle. Für Cadmiumtellurid müssen weitere geeignete plasmonische Nanokristalle entwickelt werden.

Die Wissenschaftler ersetzten die langkettigen organische Liganden, die während der Synthese an die Nanokristalloberfläche anbinden, durch kürzere Liganden, um einen effizienten Ladungstransport durch die gesamte Solarzelle zu erreichen. Außerdem erdachten sie ein geeignetes Verfahren zur Ausstattung von Quantenpunkt-Dünnschichten mit anorganischen Schwefelliganden zwecks Integration in Quantenpunktsolarzellen. Es wurde ein Prozedere entwickelt, um Bleisulfid-Nanokristall-Solarzellen in Luft herzustellen, die über Umwandlungswirkungsgrade von etwa 0,5 % verfügen.

Die Projektergebnisse können neue Richtungen der Nanokristallsynthese, -verarbeitung und -anwendungen zum Gewinnen von Solarenergie weisen. Da sie ein breiteres Lichtspektrum erfassen, verfügen Nanokristallsolarzellen über ein Potenzial als realisierbare und kostengünstige Alternative gegenüber den heute gängigen Solarzellentechnologien.