Neue Solarzellen-Technik kann Wirkungsgrad deutlich steigern

Forscher der Universität Groningen haben einen Mechanismus entdeckt, mit dem sich der Energieverlust sogenannter "heißer Elektronen" in Solarzellen drastisch verlangsamen lässt. Das steigert den Wirkungsgrad spürbar.

Fällt das theoretische Maximum?

In Versuchen mit zinnbasierten Perowskiten blieb die zusätzliche Energie der angeregten Ladungsträger bis zu tausendmal länger erhalten als üblich. Nach Ansicht des Teams könnte dies langfristig Solarzellen ermöglichen, deren Wirkungsgrad über die bisherige theoretische Grenze von rund 33 Prozent hinausgeht. Die Ergebnisse der Arbeit wurden in der Fachzeitschrift ACS Energy Letters veröffentlicht.

Trifft Sonnenlicht auf eine Solarzelle, übertragen die Photonen ihre Energie auf Elektronen und versetzen sie in einen angeregten Zustand. Besonders energiereiche Photonen erzeugen dabei sogenannte heiße Elektronen. Sie verfügen zunächst über deutlich mehr Energie, als für die Stromerzeugung benötigt wird. Normalerweise geben sie diesen Überschuss jedoch innerhalb von Pikosekunden als Wärme an das Material ab. Die Energie steht damit nicht mehr zur Verfügung, um elektrischen Strom zu erzeugen.


"Das bedeutet, dass die Energie verloren geht, bevor das heiße Elektron das Solarzellenmaterial verlassen kann", erklärt Jan Anton Koster, Professor für Physik neuartiger Halbleiter und Bauelemente an der Universität Groningen. Genau diesen Prozess konnten die niederländischen Forscher in zinnbasierten Perowskiten deutlich verlangsamen. Statt nach Pikosekunden abzukühlen, blieben die heißen Ladungsträger über mehrere Nanosekunden energiereich.

Langer Weg zur Marktreife

Zunächst zweifelten die Wissenschaftler selbst an ihren ungewöhnlichen Messwerten. Simulationen von Koster und dem Doktoranden Tim Faber lieferten schließlich eine Erklärung. Demnach wirken zwei physikalische Effekte gleichzeitig. Beim sogenannten "Hot Phonon Bottleneck" erwärmt sich das Material durch die abgegebene Energie so schnell, dass Elektronen einen Teil der Wärme wieder aufnehmen können. Gleichzeitig sorgt der Burstein-Moss-Effekt dafür, dass energieärmere Zustände bereits mit angeregten Elektronen besetzt sind. Für die heißen Elektronen wird der Weg zu niedrigeren Energien dadurch blockiert.

Die Forscher konnten mit Monte-Carlo-Simulationen und zeitaufgelösten Photolumineszenzmessungen zeigen, dass diese Kombination die ungewöhnlich lange Abkühlzeit erklärt. Zinnbasierte Metallhalogenid-Perowskite gelten zudem als ungiftige und vergleichsweise umweltfreundliche Halbleitermaterialien. Ihre geringe Elektronenmasse ermöglicht eine schnelle Ladungsbewegung und trägt dazu bei, die zusätzliche Energie länger zu erhalten.

Bis zu kommerziellen Solarzellen auf dieser Grundlage ist es allerdings noch ein weiter Weg. Die Wissenschaftler betonen, dass zunächst weitere Fragen geklärt werden müssen. Anschließend muss dann ein Weg hin zu einer industriellen Fertigungsweise gefunden werden.

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