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Fasst man die auf der Erde vorkommenden Eisen- und Schwefel-Vorkommen zusammen, so kann man mit Pyrit Solarzellen mehr Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln als dieses mit irgend einer anderen irdischen Stoffkombination möglich ist. Dies hängt einerseits mit den sehr grossen Eisen- und Schwefel-Vorkommen zusammen, andererseits mit der Tatsache dass man mit nur 60 nm Pyrit die bei uns einfallende Lichtflächenleistung von 800 W/m2 absorbieren kann. Daraus resultiert, dass das Kostenreduktionspotential von Pyrit Solarzellen am höchsten ist. Aus dieser Sicht erscheint der Halbleiter Pyrit als ideal für Solarzellen der nächsten Generation.

Es gibt bisher noch keine Fetskörper-Solarzellen aus Pyrit. Weshalb?
Schwefel-Eisen Verbindungen sind in der Regel metallisch und jede Störung im Pyritgitter ist metallisch, d. h. sie schliesst die Solarzelle kurz. Das Projektkonsortium beabsichtigt die Probleme, Pyrit reinphasig, in Halbleiterqualität, durch Einbringung nanotechnologischer Konzepte herzustellen.

Das Pyrocell-Konsortium beabsichtigt die weltweit erste funktionierende Festkörper Solarzelle aus Pyrit herzustellen. Viele wissenschaftliche Disziplinen arbeiten synergetisch zusammen und es ist erforderlich ein Projektnetzwerk zu bilden. Seitens der HESSO befassen sich verschiedenen Gruppen mit der besonderen Substratvorbereitung und der Sulphurisierung von Eisen; das CSEM begleitet das Projekt um Reinphasigkeit oder den Phasenübergang mit Röntgenstrukturanalyse zu beobachten oder gezielt herbeizuführen.

Die Gebert Rüf Stiftung finanziert die Konsolidierungsphase des Projektes PYROCELL. Es ist neben der Co-Finanzierung durch die HESSO die bisher einzigartige Umsetzungschance einer Idee, die durch ein Raster zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung fällt. Dieses Raster reicht in der Regel hin um nationale Forschung zu finanzieren. Die Gebert Rüf Stiftung füllt damit eine wichtige Lücke zur Förderung angewandter Forschung die sich von einer Idee ausgehend zunächst (unter der Beobachtung eines potentiellen Industriepartners) beweren muss. Durch das Projekt konnte leiden noch keine funktionierende Solarzelle hergestellt werden; es konnte jedoch ein Industriepartner gefunden werden der von die neue Ausgangssituation nach Abschluss dieses Projektes als vielversprechend ansieht und motiviert ist ein KTI Projekt mit dem Konsortium einzureichen.

Zielsetzung:
Im ersten Projektabschnitt wurde eine 60 nm dicke Aluminiumoxidschicht auf Aluminium aufgewachsen, die wie eine Bienenwabe, vertikale Hohlräume aufweist.
Im zweiten Schritt sollen diese Hohlräume galvanisch mit Eisen aufgefüllt werden.
Im dritten Schritt soll mit Hilfe eines Schwefel-Plasmas soll das Eisen in den Holräumen im dritten Schritt zu Pyrit FeS2 reagiert werden. Damit wird die absorbierende Pyritschicht in sehr zahlreiche (109/cm2) «Nanodrähte» unterteilt werden.
Im vierten Schritt wird die eigentliche Solarzelle hergestellt; dabei wird Pyrit, das in dieser Form ein p typ Halbleiter ist, mit n ZnO zu einer sogenannten p/n Heterostruktur Solarzelle kontaktiert. Sicherlich werden viele der «Nanodrähte» metallischen Charakter haben und die Solarzelle kurzschliessen.
Im fünften Schritt wird diese Heterostruktur elektrisch in Sperrrichtung (rückwärts) polarisiert. Die lokal sehr hohe Stromdichte «brennt» metallische «Nanowires» aus und passiviert sie in einer Weise dass diese isolierend werden. Die verbleibenden Nanowires mit Halbleiterqualität sperren den Strom und bleiben als Diode funktionell. Somit wird ein selektives «Ausheilen» Solarzelle bewirkt die nun aus Milliarden einzelner parallelgeschalteter Pyrit-Nanowires besteht.

Resultate:
Der erste Schritt (Herstellung der Bienenwabenförmigen Al2O3 Struktur) konnte erfolgreich durchgeführt werden.
Im zweiten Schritt wurden viele Galvaniktechniken (Benetzungsflüssigkeiten, Wechselspannungsbeschichtung) variiert, es konnte jedoch kein Eisen konform in die Poren eingebracht werden. Dieser Punkt konnte nicht erfüllt werden.
Im dritten Schritt wurde ein Plasma-Reaktor optimiert mit dessen Hilfe es möglich ist zunächst homogenen 60 nm dicke Eisenfilme im Schwefelplasma homogen durchzureagieren (Messung mit Rutherford Backscattering Methode). Das Plasma produzierte die Schwefel radikale die durch thermische Aktivierung in die Eisenschicht diffundierte. Trotz des komplizierten Phasendiagrammes von Pyrit konnte der Eisenfilm zu 100% zu FeS2 reagiert werden wobei 90% Phasenanteil hexagonal (Pyrit) und etwa 10 % Phasenanteil Markasit (Hexagonal) erreicht werden konnte (Messungen bei Partner CSEM). Der Reaktor wird mit einem Induktiven Plasma betrieben (Helicoil). Der Reaktor in der realisierten Form erlaubt reproduzierbare Schichten herzustellen, wobei thermische Diffusion und Plasmainduzierte Anregung sehr gut getrennt werden können und präzises Optimieren der Schichten erlaubt. Das Konsortium sieht darin das wichtigste Ergebnis des Projektes.
Im vierten Schritt konnte die komplette Hetero-junction Solarzellenstruktur in Form von: Glas / n ZnO / p FeS2 / Al hergestellt werden. Es konnte leider noch keine aktive Zelle hergestellt werden, weil auf das Grundkonzept in Schritt zwei (Eisen in Al2O3 Poren) nicht zurückgegriffen werden konnte.
Im fünften Schritt konnte das Problem des «reverse-bias annealings» gelöst werden indem eine spannungsquelle die eine konstante Stromdichte liefen kann, konzeptioniert und realisiert werden. Sie wurde an Teststrukturen wie Glas / Al2O3 / ITO erfolgreich getestet werden. Das elektronische System kann dann direkt für zukünftige Solarzellenstrukturen, übernommen werden.

Sind geplant, jedoch muss vorher die Patentsituation abgeklärt werden.

Mardi 19 Juillet 2011 L’Express - L’Impartial: Alchimistes des temps modernes