Quanteneffizienz für mehr Solarstrom
Nanokristalline Schichten und Quantenpunkte sollen Wirkungsgrad steigern
Amerikanische Forscher haben im Labor an einer Schicht aus halbleitenden organischen Nanokristallen einen Rückgang der Verlustrate demonstriert, die in Form von Wärme bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom entsteht.
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich damit der maximale Wirkungsgrad von bisher 31 auf 44 Prozent steigern lässt.
»Wir wollen den Großteil der Energie im Sonnenlicht einfangen. Das wäre die ultimative Solarzelle«, sagt Xiaoyang Zhu, Chemiker an der University of Texas in Austin. Er und seine Kollegen haben eine nanokristalline Doppelschicht aus dem organischen Halbleiter Pentacen und aus Kohlenstoffclustern, den Fullerenen konstruiert. Fiel ein Lichtteilchen mit einer hohen Energie auf diese Struktur, bildete sich – genau wie in einer herkömmlichen Solarzelle – ein Elektron-Loch-Paar. Doch anders als in gebräuchlichen Zellen beobachteten sie zusätzlich ein weiteres Exziton, dass sie als »Schatten-Zustand« bezeichneten. Aus dieser Anregung entstand ein weiteres, allerdings sehr kurzlebiges Elektron-Loch-Paar. Die Fulleren-Schicht fing das so freigesetzte Elektron auf. Prinzipiell kann es dann einen nutzbaren Solarstrom liefern.
Über die Analyse der Photoelektronen schlossen Zhu und Kollegen auf die Geschwindigkeit dieser Prozesse. Sie dauerten nur Bruchteile einer Picosekunde. Die Erzeugung mehrerer Elektronen pro einfallendem Lichtteilchen könnte Solarzellen mit einer deutlich größeren Quanteneffizienz als bisher ermöglichen.
Anwenden wollen die Wissenschaftler das Prinzip auf Solarzellen aus halbleitenden Kunststoffen. »Die Produktion von Solarzellen aus Plastikhalbleitern hat Vorteile. Einer davon sind die geringen Kosten«, sagt Zhu. Können diese Solarzellen bisher nur knapp halb so viel Strom erzeugen wie Module auf Siliziumbasis, ließe sich dieser Nachteil mit den nanokristallinen Schichten in Zukunft beseitigen. Ob dieser Schritt gelingt, lässt sich heute aber noch nicht sagen.
Parallel zu diesem Ansatz berichten Matthew Beard und Kollegen vom National Renewable Energy Laboratory in Golden von einer weiteren Möglichkeit zur Steigerung des Wirkungsgrades von Solarzellen. Sie fanden heraus, dass sich in einem System aus Bleiselenid-Quantenpunkten ebenfalls mehr als ein Elektron pro Photon erzeugen lässt. Ihre Messungen belegen eine Quanteneffizienz von bis zu 130 Prozent. Im Durchschnitt setzt dabei jedes Photon nicht nur eines, sondern 1,3 Elektronen in dem Halbleitermaterial frei.
Es können jedoch noch einige Jahre vergehen, bis es möglich ist, diese Methoden in kommerziell verfügbaren Solarmodulen anzuwenden. Denn von der Entdeckung eines Wirkprinzips bis zu einem Solarmodul ist der Weg erfahrungsgemäß weit. Parallel sinken wohl auch die heute höheren Produktionskosten für Tandem- und Tripelzellen auf der Basis von Silizium oder Germanium weiter. Dadurch bleiben sie eine ernstzunehmende Konkurrenz für Plastikzellen mit doppelter Elektronenausbeute.
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