Mehr Strom aus Sonnenlicht Farbstoff-Solarzelle mit hoher interner Energieausbeute

Forscher der FAU Erlangen-Nürnberg untersuchen eine neue Methode, wie sich effizientere Solarzellen realisieren lassen.
Forscher der FAU Erlangen-Nürnberg untersuchen eine neue Methode, wie sich effizientere Solarzellen realisieren lassen.

Neue technische Ansätze für Solarzellen gefragt. Denn die Siliziumtechnik ist annähernd ausgereizt. Mit der Singulett-Spaltung setzen Wissenschaftler nun auf die Erhöhung der internen Energieausbeute.

Die leistungsfähigsten Silizium-Solarzellen heutzutage erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 30 %. Damit ist die Silizium-Solarzellentechnik so gut wie ausgereizt. Denn der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad mit Solarzellen auf Siliziumbasis liegt bei 33 %. Und dieser maximale Wirkungsgrad ist in der Realität aufgrund von externen Faktoren wie Reflexionen an Ober- und Grenzflächen und elektrischen Widerständen kaum erzielbar.

Neue Impulse können also nur alternative technologische Ansätze bringen. Ein möglicher Ansatz ist die sogenannte Singulett-Spaltung, bei der ein einfallendes Lichtteilchen nicht nur ein, sondern zwei Elektronen anregt. Die Anzahl der angeregten Elektronen lässt sich also – zumindest theoretisch – verdoppeln.

Diese Idee verfolgt ein Team von Chemikern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg unter der Leitung von Prof. Dr. Dirk Guldi. Das Prinzip der Singulett-Spaltung an sich ist nicht neu, allerdings konnte der Prozess bislang nur in Lösungen oder in hochkristallinen Materialien nachgewiesen werden. Das ist keine optimale Voraussetzung für den Einsatz in Solarmodulen.

Praktikabler Aufbau für die Anwendung

In Zusammenarbeit mit Chemikern der University of Alberta, Kanada, gelang den Erlanger Wissenschaftlern nun ein praktikablerer Aufbau. Sie synthetisierten ein neuartiges Pentacen-Molekül – eine Kohlenwasserstoffverbindung im festen Aggregatzustand, die als organischer Farbstoff das Sonnenlicht absorbiert. Kombiniert wird das Pentacen mit einer aus Indium-Zink-Oxid bestehenden Photoelektrode und einem Elektrolyt aus Lithium und Jod. Dieser Aufbau könnte die Singulett-Spaltung von der Grundlagenforschung in die Anwendung bringen.

Von der theoretisch erreichbaren Verdopplung der internen Energieausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen sind die Wissenschaftler noch deutlich entfernt. Im Moment erzielen sie durchschnittlich 130 %. Als Grund geben die Wissenschaftler an, dass sie die Spannung momentan sehr niedrig halten, weil die gleichzeitige Anregung von Elektronen in benachbarten Molekülen noch zu hohe Energieverluste aufweist. Sobald die Verlustprozesse besser kontrolliert werden, lässt sich auch die Effizienz weiter erhöhen.

Parallel dazu arbeiten die Forscher auch an der Langlebigkeit ihrer Entwicklung, um so die Voraussetzung für die industrielle Fertigung zu schaffen.