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05.07.2019

Neue Methode entfesselt Solarzellen

Excitonen können Wirkungsgrad verdoppeln und Potenzial ausnutzen.

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine Methode entwickelt, um die Leistung von Solarzellen über das bislang angenommene Limit hinaus zu steigern. Ihnen ist es gelungen, mit einem einzigen energiereichen Photon gleich zwei Elektronen freizusetzen. Diese bilden, wenn sie in großen Mengen auftreten, einen elektrischen Strom, der sich für Solarzellen nutzen lässt. Damit könnte sich deren theoretisch möglicher Wirkungsgrad verdoppeln. 

Die gewöhnliche Funktionsweise von Solarzellen ist laut dem Forschungsteam zu ineffizient. Jedes Lichtteilchen (Photon) befreit genau ein Elektron aus dem photoelektrischen Material einer Solarzelle, auch wenn es weit mehr Energie enthält, als für die Aktion eigentlich nötig ist. Diese bisher gültige Tatsache begrenzt den theoretisch möglichen maximalen Wirkungsgrad auf 29,1 Prozent - in der Praxis sind es gut 20 Prozent. Die neue Methode soll das wahre Potenzial von Solarzellen entfesseln.

Excitonen absorbieren Licht
Der Schlüssel für die neue Methode liegt in Halbleiter-Materialien, die Excitonen enthalten. Das sind Elektronen-Loch-Paare, die energetisch angeregt sind. "Diese fließen wie Elektronen in einem elektrischen Schaltkreis", sagt Marc Baldo, Elektrotechniker am MIT. Das Material absorbiert Lichtteilchen, wobei Excitonen entstehen, die sich teilen lassen. Jedes Teil enthält dadurch die Hälfte der Energie, die das Photon abgegeben hat.

Damit ist allerdings noch kein Strom erzeugt. Dazu ist es nötig, die halben Excitonen ins benachbarte Silizium zu transferieren. Dies gelang den Forschern mit allerlei physikalischen Tricks. Im Silizium setzten die angeregten Teilchen jeweils ein Elektron frei. Damit produzierte ein einziges Photon letztlich zwei Elektronen. Weil das nicht immer hundertprozentig gelingt, schätzen die Forscher den damit möglichen Wirkungsgrad auf 35 Prozent. 

Methode hat noch Raum für Verbesserung
Der von den Forschern gewünschte Wirkungsgrad ist jedoch noch lange nicht erreicht. Die Koppelung zwischen dem Excitonen-Material und dem Silizium müsse noch verbessert werden, sagt das Forschungsteam. Zusätzlich ist geplant, auf diese spezielle Zelle ein Perowskit-Modul zu setzen, das transparent ist, sodass Photonen die darunter liegende photoelektrische Schicht ungehindert erreichen können, nachdem ein Teil davon in der Perowskit-Schicht bereits Strom erzeugt hat. Diese sogenannte Tandemzelle hätte einen noch höheren Wirkungsgrad.

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Quelle    pressetext.redaktion | Wolfgang Kempkens 2019

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