Die Nutzung „heißer Elektronen“ könnte die Grenze bei Solarmodulen durchbrechen

Die Nutzung „heißer Elektronen“ könnte die Grenze für eine neue Generation von Solarzellen ebnen.

Die Physik sagt voraus, dass nicht mehr als 33 Prozent der auf ein Solarmodul fallenden Sonnenenergie in Strom umgewandelt werden können. Experimente und Simulationen von Wissenschaftlern der Universität Groningen (Niederlande) haben jedoch einen Weg aufgezeigt, zusätzliche Energie aus „heißen Elektronen“ zu gewinnen, wodurch diese Grenze durchbrochen werden könnte.

Wenn Licht auf ein Solarmodul fällt, versetzt die Energie der Photonen Elektronen im Material der Solarzelle in einen angeregten Zustand und überträgt so Energie auf sie. Durch diese Reaktion kann ein Elektron aus dem Material der Solarzelle freigesetzt und eine Spannung erzeugt werden.

Sehr energiereiche Photonen verleihen den Elektronen jedoch zusätzliche Energie, wodurch „heiße Elektronen“ entstehen. Theoretisch könnte die zusätzliche Energie, die diese heißen Elektronen tragen, die Spannung erhöhen. In der Praxis geht die zusätzliche Energie jedoch innerhalb von Pikosekunden (0,000000000001 Sekunde) als Wärme verloren. „Das bedeutet, dass die Energie verloren geht, bevor das heiße Elektron das Solarzellenmaterial verlässt“, sagt Jan Anton Koster, Professor für Physik neuartiger Halbleiter und Bauelemente an der Universität Groningen.

Skepsis gegenüber den Behauptungen

In einem experimentellen Aufbau gelang es jedoch seiner Kollegin Maria Antonietta Loi, Professorin für Photophysik und Optoelektronik, eine Verzögerung des Wärmeverlusts durch heiße Elektronen zu erzielen. Sie entwickelte ein Solarzellenmaterial namens Perowskit auf Zinnbasis und beobachtete, dass sich der Verlust der überschüssigen Energie auf Nanosekunden verlangsamte – um etwa den Faktor 1.000. „Die Messungen waren eindeutig, aber wir verstanden die dahinterstehende Physik nicht“, sagt Koster. Dies führte dazu, dass andere Fachleute diese Behauptung in Frage stellten. „Wir begannen sogar selbst, an den Messungen zu zweifeln“, gibt er zu.

Um dieses Rätsel zu lösen, untersuchten Koster und sein Doktorand Tim Faber mithilfe von Simulationen die Physik dieses Energieverlusts. Sie fanden heraus, dass in Perowskit-Solarzellen zwei verschiedene Mechanismen zusammenwirken, um die Zeit zu verlängern, die heiße Elektronen benötigen, um die überschüssige Energie abzugeben.

Nanosekundenbereich

Wenn Energie als Wärme verloren geht, erwärmt sich die Umgebung der Elektronen. Koster und Faber erkannten, dass diese verbleibende Wärme von den Elektronen wieder aufgenommen werden kann. „Als wir diesen bekannten Prozess, den sogenannten ‚Hot-Phonon-Bottleneck‘, in die Simulationen einbezogen, verlangsamte er den Energieverlust, jedoch nicht ausreichend, um unsere Messungen zu erklären.“ Daher musste ein zweiter Mechanismus in die Simulation einbezogen werden.

Die zusätzliche Energie heißer Elektronen kann sie in eine Reihe von angeregten Zuständen versetzen. Energieverlust bedeutet, dass der angeregte Zustand in diskreten Schritten auf ein niedrigeres Energieniveau herabgestuft wird. Sind jedoch die verschiedenen Schritte in diesem Prozess bereits besetzt, ist der Weg hinunter zum niedrigsten Energieniveau schwieriger und dauert länger. Dies wird als Burstein-Moss-Effekt bezeichnet. Koster: „Als wir diesen Prozess ebenfalls in die Simulation einbezogen, stellten wir fest, dass der Energieverlust nun im Nanosekundenbereich lag, wie es auch in den Experimenten von Maria Loi zu beobachten war.“

Da beide Prozesse in Perowskit-Solarzellen auf Zinnbasis ablaufen, konnten Koster und sein Team schließlich verstehen, warum der Energieverlust der heißen Elektronen verlangsamt wurde. Es gibt noch viele weitere Fragen, die einer Antwort bedürfen, doch theoretisch könnte diese Entdeckung die Entwicklung effizienterer Solarzellen ermöglichen, die über die theoretische Grenze von 33 Prozent hinausgehen.

• Reference: Tim Faber et al: The Physics of Ultra-Long Cooling Times in Metal Halide Perovskites. ACS Energy Letters, 11 September 2026.

Quellen

• ACS Energy Letters: The Physics of Ultra-Long Cooling Times in Metal Halide Perovskites
• Solar RRL: The Role of Thermalization in the Cooling Dynamics of Hot Carrier Solar Cells
• Universität Groningen: Harvesting hot electrons could break solar panel barrier
• Journal of Applied Physics: Ross, R. T.; Nozik, A. J.: Efficiency of hot-carrier solar energy converters (1982), https://doi.org/10.1063/1.331124

Source

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