Schrödingers Katze soll Wirkungsgrad von Solarzellen verdoppeln

Solarzelle, Solarpanel, Solarmodul Bildquelle: Clearly Ambiguous (CC-BY)
Schrödingers berühmte Katze steckt auch in Materialien für Solarzellen. Forschern ist es jetzt erstmals gelungen, die Effekte in ihnen genau zu beobachten und somit wesentlich besser zu verstehen. Nun sprechen sie bereits von Potenzialen, die den Wirkungsgrad von Solarmodulen verdoppeln können.
Solarzellen funktionieren nach einem relativ einfachen Prinzip: Trifft ein Lichtteilchen (Photon) auf ein Molekül und wird dort absorbiert, dann hebt es in diesem Molekül ein Elektron auf ein höheres Energieniveau. Dieser Vorgang wird als Singulett-Spaltung bezeichnet. Wenn sich das Energieniveau des Moleküls wieder normalisiert, kann das Elektron abgeführt werden - es ist also elektrische Energie entstanden.

Es kann aber auch vorkommen, dass ein Molekül über ausreichend Energie verfügt, um auch in zweites Molekül anzuregen. Hier können dann also zwei Elektronen freigesetzt werden. Wenn es gelingt, Solarzellen so zu konzipieren, dass dieser Vorgang regelmäßig geschieht, würde das die Energieausbeute natürlich deutlich steigern.

Prozess in Femtosekunde beobachtet

Dafür ist es aber nötig, das Geschehen insgesamt besser zu verstehen - was natürlich am besten durch eine direkte Beobachtung möglich wäre. Gerade diese gestaltete sich bisher aber schwer, da die Singulett-Spaltung während Billiardstel-Bruchteilen einer Sekunde abläuft. Ein internationales Forscherteam der Universitäten in Cambridge, Lund, Kiel und Amsterdam hat nun aber genau das geschafft.

Sie kamen aufgrund dessen zu der Erkenntnis, dass die gewünschte "Zwei für Eins"-Umwandlung einen Zwischenzustand beinhaltet, bei dem eine Verschränkung der Teilchen auftritt. Die Moleküle weisen dabei neue Quantenzustände auf, bei denen sie gleichzeitig sowohl die Eigenschaften des ursprünglich angeregten Teilchens, als auch jene des Partners aufweisen. Solche entgegengesetzten Zustände werden in der Quantentheorie als Superpositionen bezeichnet und wurden vom Physiker Erwin Schrödinger durch das berühmte Gedankenexperiment beschrieben, wonach eine Katze in einer Kiste gleichzeitig lebendig und tot ist.

Das Verständnis des Phänomens soll jetzt bei der Entwicklung wesentlich effizienterer Solarzellen helfen. Wenn man es hier schafft, die Singlett-Spaltung so kontrollierbar zu machen, dass die Doppel-Anregungen die Norm werden, würde dies quasi eine Verdoppelung des Wirkungsgrades bedeuten. Solarzelle, Solarpanel, Solarmodul Solarzelle, Solarpanel, Solarmodul Clearly Ambiguous (CC-BY)
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