Exzitonen-Spaltung bringt Solarzellen höhere Wirkungsgrade
Erhöhte Quanteneffizienz: Photon im sichtbaren Spektrum kann mehr als ein Elektron zur Stromerzeugung ergeben.
Die besten, einschichtigen Solarzellen auf der Basis kristallinen Siliziums erreichen heute Wirkungsgrade von etwa 25 Prozent. Eine Steigerung auf über 30 Prozent halten nun Physiker vom Massachusetts Institute of Technology mit einer zusätzlichen Beschichtung für möglich. Mit dieser konnten sie zeigen, dass einzelne Photonen im Bereich des sichtbaren Spektrums prinzipiell mehr als ein einziges Elektron für einen photovoltaischen Stromfluss erzeugen könnten. Neben Solarmodulen aus Silizium könnte dieser Schritt auch die Wirkungsgrade von organischen Solarzellen steigern helfen.
Abb.: Diese Grafik zeigt das Prinzip einer dank einer Pentacen-Molekül-Schicht über hundert Prozent erhöhten Quanteneffizienz für Solarzellen. Ein Singlett-Exzitonen-Zustand spaltet sich in zwei Triplett-Exzitonen-Zustände, wodurch aus einem Photon bis zu zwei Elektronen erzeugt werden. (Bild: MIT, D. Congreve, N. Thompson, J. Lee)
Die Grundlage dazu legte die theoretisch schon länger bekannte Möglichkeit der Spaltung von angeregten Singlett-Exzitonen-Zuständen im Halbleiter. Marc A. Baldo und seine Kollegen vom Energy Frontier Research Center for Excitonics am MIT fertigten dazu eine mehrschichtige, organische Solarzelle. Zwischen zwei leitfähigen Elektroden aus Silber und Indiumzinnoxid fügten sie zusätzlich zu den halbleitenden, lichtaktiven Subtanzen eine hauchdünne Doppelschicht aus Fullerenen und Pentacen-Molekülen ein.
Traf nun Licht mit 670 Nanometer Wellenlänge auf diese Testzelle, kam es in einem ersten Schritt zu einer Anregung von Singlett-Exzitonen-Zuständen. Diese jedoch ließen sich dank der Pentacen-Fulleren-Doppelschicht weiter in je zwei Triplett-Exizitonen-Zustände aufspalten. Baldo und Kollegen bestimmten die interne Quanteneffizienz dieses Prozesses und konnten Werte von etwa 160 Prozent ermitteln. Im Idealfall könnte nun jedes Triplett-Exziton dissoziieren und dabei jeweils ein photoelektrisches Elektron freisetzen.
Der Gesamtwirkungsgrad dieses Prototyps rangiert allerdings noch bei mageren zwei Prozent. Doch belegt es, dass auch der sichtbare Anteil im Sonnenspektrum prinzipiell genug Energie trägt, um pro einfallendes Photon mehr als ein Elektron zu erzeugen. Baldo hält es nun für möglich, dass diese Spaltung von Singlett-Exzitonen-Zuständen einen viel versprechenden Weg für die Steigerungen der Wirkungsgrade nicht nur von organischen Solarzellen, sondern auch von Modulen auf Siliziumbasis aufweisen könnte.
Schon vor knapp zwei Jahren gelang es Forschern vom National Renewable Energy Lab in Golden, Colorado, die Quanteneffizienz von Solarzellen auf Werte über 100 Prozent zu treiben. Kern ihres Erfolgs damals war im Unterschied zum Ansatz von Baldo die Aufspaltung von Photonen im ultravioletten Bereich des Sonnenspektrums in je zwei niederenergetische Lichtteilchen. Beide Prinzipien haben das Potenzial, die Wirkungsgrade von Solarzellen weiter steigern zu können. In den folgenden Jahren müssen nun weitere Versuche belegen, dass diese Detailprozesse tatsächlich zur Entwicklung effizienterer und zugleich haltbarer Solarmodule taugen.
Jan Oliver Löfken
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