Ein Booster für Silizium-Solarzellen

Theoretische Rechnungen zeigen, dass Silizium-Solarzellen unter bestimmten Bedingungen einen wesentlich höheren Wirkungs­grad haben könnten. Ein Zugang zu entsprechend modifiziertem Silizium könnten kleine Silizium-Cluster sein. Bisher waren diese jedoch nicht in löslicher Form zugänglich, was Voraussetzung für eine vielseitige Verarbeitung ist. Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben nun einen einfachen Syntheseweg dafür entdeckt.

Die weltbesten Silizium-Solarzellen besitzen derzeit einen Wirkungsgrad von 24 Prozent. Die theoretische Grenze liegt bei rund 29 Prozent. „Das liegt daran“, erläutert Thomas Fässler, Professor für Anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien an der TU München, „dass das in der Diamant­struktur kristallisierende Silizium nur eine indirekte Bandlücke nutzen kann.“

Forscher träumen daher von Materialien, in denen die Silizium-Atome so angeordnet sind, dass eine direkte Bandlücke entsteht, die sie für die solare Energie­produktion nutzen können. Als Modellverbindungen dafür dienen kleine Silizium-Cluster. Hier lassen sich die Atome anders anordnen als im kristallinen Silizium.

„Solche Verbindungen sind auch für eine Vielzahl weiterer chemischer Experimente interessant“, sagt Fässler. Gezielt können wir derzeit in wenigen Synthese­schritten vier und neun Silizium-Atome zu Tetraedern beziehungsweise einer fast kugel­förmigen Struktur zusammen­fügen. Die Synthesen und die Isolierung der Atomcluster waren bisher aber sehr aufwändig. Hier sind wir nun einen entscheidenden Schritt vorangekommen.“

Beim Zusammenschmelzen von Kalium und Silizium entsteht eine Verbindung aus 12 Kalium- und 17 Silizium-Atomen, ein graues Pulver. Mit einem Trick gelang es nun Erstautor Lorenz Schiegerl, in flüssigem Ammoniak die löslichen, neun­atomigen Cluster zu stabilisieren: Zum Ammoniak gab er ein organisches Molekül hinzu, das die Kalium-Atome einschließt.

„Diese einfache Synthese öffnet uns, ausgehend von elementarem Silizium, den Weg zu vielfältigen chemischen Experimenten mit diesen Clustern“, sagt Fässler. „Im Lösungsmittel Pyridin wird der Cluster beispielsweise durch zwei Wasserstoff-Atome stabilisiert, ähnlich den vermuteten Zwischen­stufen bei der großtechnischen Herstellung von poly­kristallinem Silizium, das unter Einsatz von Silanen oder Chlor­silanen für kommerziell verfügbare Solar­zellen­module hergestellt wird.“

Besonders vielversprechend ist ein weiterer Reaktionsweg zu Verbindungen des Silizium-Clusters, bei denen drei der neun Silizium-Atome sich mit Molekülen verbinden, die wiederum Silizium oder beispiels­weise auch Kohlenstoff oder Zinn enthalten. In den rotbraun gefärbten Lösungen liegen die zurzeit silizium­reichsten, bekannten Cluster vor. Damit eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten, Silizium mit modifizierten Strukturen aus Lösung abzuscheiden.

„Denkt man diesen Weg weiter, sollten auch Kopplungen der Cluster möglich sein, um größere Silizium-Strukturen aufzubauen. Damit kämen wir den Wünschen der Theoretiker schon sehr nahe“, sagt Fässler. Auf jeden Fall tun sich hier neue Möglich­keiten auf, die in Zukunft eingehend erforscht werden dürften.

TUM / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  L. J. Schiegerl et al.: Silicon Clusters with Six and Seven Unsubstituted Vertices via a Two-step Reaction from Elemental Silicon, Chem. Sci. 10, 9130 (2019); DOI: 10.1039/C9SC03324F
• Lehrstuhl für anorganische Chemie mit Schwerpunkt Neue Materialien (T. F. Fässler), Technische Universität München