Dank Graphen: Dünnste Solarzelle der Welt gebaut
Schichten aus Molybdändiselenid und Wolframdisulfid verwandeln Licht.
Forscher der University of Kansas haben die Basis für eine Solarzelle entwickelt, die nur wenige Atomlagen dick ist und eine hohe Leistung hat. Bei der Formgebung der drei photoelektrisch aktiven Schichten, aus denen sie besteht, stand Graphen Pate. Das ist ein Film, der nur so dick ist wie ein Kohlenstoffatom. Seine Form scheint einer Bienenwabe nachempfunden zu sein. Alle Kohlenstoffatome bilden Sechsecke.
Elektronen überleben länger
Hui Zhao und sein Doktorand Samuel Lane, beide vom Lehrstuhl für Physik und Astronomie, haben eine Graphenschicht mit ebenso geformten Schichten aus Molybdändiselenid und Wolframdisulfid kombiniert. Damit haben sie die Lebensdauer von Elektronen im Graphen, die vom Sonnenlicht angeregt und auf ein höheres Energieniveau gehievt werden, um einige 100 Mal erhöht.
Das ist extrem wichtig für den Wirkungsgrad von Solarzellen, die auf Graphen basieren. Elektronen erreichen in diesem Material ein hohes Tempo, ein Dreißigstel der Lichtgeschwindigkeit. Da der Graphenfilm extrem dünn ist, verweilen die angeregten Elektronen im Normalfall nur für eine Picosekunde, also eine Billionstel Sekunde in diesem Material. Dieser kaum messbare Zeitraum ist zu kurz, als dass sich viele Elektronen zusammenrotten könnten, um als elektrischer Strom aus der Solarzelle herauszufließen.
Elektronenmobilität relevant
Zhao vergleicht die Elektronenmobilität mit Studenten, die sich im Hörsaal erheben, umhergehen und sich wieder niederlassen. „Wir haben einfach die Stühle weggenommen“, sagt Zhao. Damit können sich die Studenten gar nicht mehr hinsetzen und die Elektronen eine vergleichsweise lange Zeit mobil bleiben. Diese reicht aus, um sie einzufangen und über die Elektroden, die das Sandwich einhüllen, abfließen zu lassen. Es entsteht ein nutzbarer elektrischer Strom, der direkt verbraucht oder in einer Batterie gespeichert werden kann.
Auch Wissenschaftler an der Technischen Universität Wien haben vor einigen Jahren eine ähnliche Solarzelle entwickelt. Statt Wolframdisulfid haben die österreichischen Forscher Wolframdiselenid zum Einsatz gebracht. Der Wirkungsgrad lag unter dem der Zelle, die Zhao und sein Doktorand entwickelt haben.
