Theoretische Obergrenze des Solarzellen-Wirkungsgrades durchbrochen

Ein internationales Forschungsteam hat womöglich einen massiven Durchbruch in der Solartechnologie erzielt. Es gelang ihm, das bisher angenommene theoretische Maximum des Solarzellen-Wirkungsgrades zu übertreffen.

Es geht mehr

Wissenschaftler der Kyushu-Universität in Japan arbeiteten gemeinsam mit Forschenden der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz an einem innovativen Ansatz, um die Energieausbeute von Sonnenlicht deutlich zu erhöhen. Im Zentrum steht ein spezieller Metallkomplex auf Molybdänbasis, der als sogenannter Spin-Flip-Emitter fungiert. Dieser ermöglicht es, einen bislang schwer nutzbaren physikalischen Effekt, die sogenannte Singulett-Spaltung, gezielt einzusetzen.

Bisherige Solarzellen stoßen an eine theoretische Effizienzgrenze, da ein Großteil der Sonnenenergie ungenutzt bleiben muss. Während energiearme Infrarotstrahlung Elektronen nicht ausreichend anregen kann, wird überschüssige Energie hochenergetischer Lichtteilchen meist in Wärme umgewandelt. Dadurch lässt sich nur etwa ein Drittel der eingestrahlten Energie tatsächlich in Strom umwandeln.


Die neue Methode setzt genau hier an: Durch Singulett-Spaltung kann ein einzelnes energiereiches Photon zwei sogenannte Exzitonen erzeugen, also energietragende Zustände, die letztlich Strom erzeugen können. Im Idealfall verdoppelt sich so die nutzbare Energie eines Photons. Allerdings ging ein Großteil dieser Energie bislang durch konkurrierende Prozesse verloren.

Noch ist alles Labor

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forschenden ein System, das die entstehenden Energiezustände gezielt "einfängt". Der eingesetzte Spin-Flip-Emitter erlaubt es, die Energie effizient aufzunehmen, indem Elektronen ihren Spin-Zustand ändern. Gleichzeitig wurde ein Verlustmechanismus reduziert, bei dem Energie vorzeitig auf andere Moleküle übertragen wird. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit wurden im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

In Experimenten erreichte das Team demnach eine sogenannte Quantenausbeute von rund 130 Prozent. Praktisch bedeutet dies, dass mehr energietragende Zustände erzeugt wurden, als Photonen eingestrahlt wurden. Noch befindet sich das Verfahren im experimentellen Stadium. Zukünftig wollen die Forschenden die Materialien aber in feste Strukturen integrieren, um sie für den Einsatz in realen Solarzellen nutzbar zu machen. Darüber hinaus könnten die Erkenntnisse auch für andere Anwendungen relevant sein, etwa in der LED-Technologie oder in der Quantenforschung.


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