Lichtfalle in Silizium-Nanodraht-Solarzellen

Dünnschichtstrukturen können die Kosten für Solarenergie senken, indem sie kostengünstige Substrate und eine geringere Menge sowie Qualität von Halbleitermaterial verwenden. Allerdings erfordert die resultierende kurze optische Weglänge und die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger entweder einen hohen Absorptionskoeffizienten oder exzellente Lichtfalleigenschaften. Es wurde bereits gezeigt, dass halbleitende Nanodrähte im Vergleich zu planaren Halbleitern geringe Reflexionsverluste aufweisen, jedoch wurden ihre Lichtfalleigenschaften nicht gemessen. Durch optische Transmission und Photostrommessungen an dünnen Siliziumfilmen zeigen wir, dass geordnete Anordnungen von Silizium-Nanodrähten die Weglänge der einfallenden solarstrahlung um den Faktor 73 erhöhen. Diese außergewöhnliche Lichtfallenwegverlängerung übertrifft das randomisierte Streuungslimit (Lambert´sche Grenze) (2n(2) etwa 25 ohne Rückreflektor) und ist anderen Lichtfallenmethoden überlegen. Durch Veränderung der Dicke des Siliziumfilms und der Länge der Nanodrähte zeigen wir, dass ein Wettbewerb zwischen verbesserter Absorption und erhöhter Oberflächenrekombination besteht; bei aus 8 μm dicken Siliziumfilmen hergestellten Nanodrahtarrays kann die erhöhte Absorption die Oberflächenrekombination dominieren, selbst ohne jegliche Oberflächenpassivierung. Diese Nanodrahtgeräte erreichen Wirkungsgrade von über 5%, mit Kurzschluss-Photostrom stärker als bei planaren Kontrollproben.