Effizientere Solarzellen durch kleinere Quantenpunkte

Berechnungen zeigen die quantitativen Zusammenhänge von Lichtfrequenz, Effizienz und Größe von Quantenpunkten bei der Erzeugung mehrerer Exzitonen durch ein einzelnes Photon.

Eine Studie US-amerikanischer Physiker der Colorado School of Mines könnte die Effizienz zukünftiger Solarzellen deutlich steigern. Die Forscher um Mark Lusk berechneten darin, inwieweit die Größe von Quantenpunkten Einfluss auf die Energieübertragung von Elektronen zur Stromerzeugung nehmen kann. Die Ergebnisse unterstützen die Theorie der „Multiple-Exciton Generation“ (MEG), nach der durch Licht angeregte Elektron-Loch-Paare (Exzitonen) ihre Energie auf mehrere Elektronen übertragen und dadurch mehr Elektrizität generieren können.

Abb.: Darstellung der Konzepts von Multiple-Exciton Generation (MEG). Links: angeregtes Elektron (blau) mit Loch (rot). Rechts: originales Exziton (dunkel) mit neuem Exziton (hell) nach MEG. (Bild: Mark T. Lusk, Department of Physics, Colorado School of Mines)

Für eine mögliche kommerzielle Realisierung von MEG-basierten Solarzellen ist der Einfluss der Größe der Quantenpunkte von großem Interesse. Wie die Wissenschaftler mit Hilfe von Hochleistungscomputern herausfanden, gibt es für jede Quantenpunktgröße einen optimalen Bereich im Lichtspektrum, außerdem nimmt die Effizienz mit der Größe ab. Solarzellen mit speziell auf Sonnenlicht optimierten Quantenpunkten könnten demnach wesentlich effizienter arbeiten als herkömmliche Solarzellen, die ohne Quantenpunkte hergestellt werden.

„Wir können nun Materialien entwerfen, die aus einem einzelnen Photon mehrere Exzitonen generieren – und damit einen großen Anteil der Energie nutzen, die ansonsten nur die Solarzelle erwärmen würde“, fasst Lusk die Ergebnisse zusammen. Ob solche effizienteren MEG-Solarzellen in Zukunft wirklich umsetzbar sind, ist bisher jedoch noch nicht absehbar.

AL / National Science Foundation