Gesteigerte Quanteneffizienz für mehr Solarstrom

Heute wandeln Solarzellen den größten Teil des Sonnenlichts nicht in Strom, sondern in Wärme um. Diese Verluste summieren sich auf gut 60 Prozent des Energieanteils im Sonnenlicht. Eine Schicht aus halbleitenden, organischen Nanokristallen könnte diese Verlustrate nun verringern. Diese erzeugt aus einem eingestrahlten Photon gleich zwei Elektronen, die dann zur Stromerzeugung genutzt werden sollen. Amerikanische Forscher konnten Prinzip dieses nun an einem Labormuster demonstrieren und gehen davon aus, dass damit der bisher maximale Wirkungsgrad von 31 auf 44 Prozent gesteigert werden könnte.

„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 bildete 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 Zhu und seine Kollegen das Prinzip auf Solarzellen aus halbleitenden Kunststoffen. „Die Produktion von Solarzellen aus Plastikhalbleitern hat großartige 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, 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.

Bis diese Methoden in kommerziell verfügbaren Solarmodulen angewendet werden, können jedoch noch einige Jahre vergehen. Denn von der Entdeckung eines Wirkprinzips bis zu einem Solarmodul ist der Weg erfahrungsgemäß sehr weit. Parallel werden wohl auch die heute höheren Produktionskosten für Tandem- und Tripelzellen auf der Basis von Silizium oder Germanium weiter sinken und damit eine ernstzunehmende Konkurrenz für Plastikzellen mit doppelter Elektronenausbeute bleiben.

Jan Oliver Löfken

PH