Photosynthese-Nachahmung
Hybridsolarzelle mit 95 Prozent Effizienz im Visier
Forscher des Cavendish Laboratorium der Universität Cambridge glauben, eine organische Verbindung gefunden zu haben, die in Kombination mit herkömmlichen Siliziumzellen eine Effizienz von 95 Prozent erreichen könnte.
Maxim Tabachnyk und seine Kollegen am Cavendish Laboratorium wollen einen organischen Film entwickeln, der vergeudete Energie so umwandeln kann, dass die Siliziumlage einer Solarzelle in die Lage versetzt wird, sie in Strom zu verwandeln. So soll das theoretische Effizienzmaximum von 33,7 Prozent bei siliziumbasierten Solarzellen überwunden werden. In Siliziumzellen wird viel Energie in Form hochenergetischen Lichtes aufgenommen, das letztlich als Wärme verschwendet wird.
In anorganischen Halbleitern regt ein Photon die Bildung eines freien Elektrons an, das als Strom »geerntet« werden kann. Im organischen Halbleiter Pentacen führt die Absorption eines Photons dagegen zur Bildung von zwei Elektronen. Allerdings liegen sie nicht frei vor, sondern in zwei sogenannten Triplet-Exzitonen. Exzitonen sind elektrisch neutrale elementare Anregungen, sogenannte Elektronen-Loch-Paare, die aus einem Defektelektron und einem Elektron bestehen und nicht frei vorliegen, sondern gebunden sind. Wenn es gelingt diese zwei Triplet Exzitonen zum Siliziumteil der Zelle zu transportieren und deren Elektronen dort zugänglich zu machen, ließe sich die Effizienz von Solarzellen erheblich steigern.
Exzitonen existieren in zwei Varianten, hellen Spin-Singlets und dunklen Spin-Triplets. Die Energie von Spin-Singlets ist leicht in Silizium-Solarzellen zu ernten, während die Energie letzterer durch deren spezifischen Elektronenspin schwer zugänglich ist.
In den Lichtsammelkomplexen photosynthetisch aktiver Pflanzen werden Pigmente durch Lichtabsorption in Erregung versetzt und auf benachbarte Pigmente strahlungsfrei übertragen. Wenn es jetzt gelingt, organische Halbleiter so mit konventionellen Halbleitern zu verbinden, dass die Erregungszustände (Triplet-Exzitonen) in letztere transportiert werden könnten, »würde uns das erlauben, die fundamentale Obergrenze für die Effizienz von Solarzellen zu durchbrechen«, so Tabachnyk.
Mittels Femtosekunden-Laserspektroskopie entdeckte das Team, dass Triplet-Exzitonen mit einer Effizienz von 95 Prozent direkt in anorganische Halbleiter transportierbar sind. Einmal im anorganischen Halbleiter angekommen, lassen sich die Elektronen dort leicht aus den Triplets extrahieren. Das Team arbeitet derzeit an einer preiswerten organischen Beschichtung und untersucht, ob sich die entdeckte Energieübertragung mittels Spin-Triplet Exzitonen auch auf andere organisch-anorganische Systeme übertragen lässt. Die Forschungsergebnisse werden im Journal Nature Materials veröffentlicht.
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
