Solarzellen-Wirkungsgrad: Forscher brechen die theoretische Grenze auf

Forscher des Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona haben einen neuen Ansatz vorgestellt, mit dem sich die Effizienz von Solarzellen deutlich steigern lassen könnte. Sie widmeten sich dafür nicht der Aufnahme, sondern der Abgabe von Licht.

Verluste deutlich reduzieren

Im Mittelpunkt der Forschungsarbeit steht ein physikalischer Verlustmechanismus, der darauf zurückgeht, dass ein Material, das Licht absorbiert, auch Photonen emittiert. Sonnenlicht trifft allerdings nur aus einem relativ kleinen Winkelbereich auf eine Solarzelle, da die Sonne am Himmel nur einen begrenzten Raum einnimmt. Die innerhalb der Zelle erzeugten Photonen können dagegen normalerweise in viele verschiedene Richtungen entweichen. Nach Ansicht der Forscher geht dadurch ein Teil der potenziell nutzbaren Energie verloren.

Das Team um ICFO- und UPC-Professor Jordi Martorell hat daher versucht, den Austrittswinkel der Photonen gezielt einzuschränken. Dafür verwendeten die Wissenschaftler eine organische Solarzelle auf Basis der Materialmischung PM6:Y6 und bauten sie zu einem optischen Resonator um. Eine silberbasierte Frontelektrode mit hoher Reflektivität sowie eine zweite Silberelektrode auf der Rückseite bilden zusammen mit den dazwischenliegenden Schichten einen optischen Hohlraum.


Dieser unterdrückt insbesondere die Lichtemission in großen Winkeln, während einfallendes Sonnenlicht weiterhin effizient in die Zelle gelangen kann. Die Richtung der abgegebenen Photonen wird damit stärker an die Richtung des einfallenden Sonnenlichts angepasst. Die Forscher sehen darin einen vergleichsweise einfachen Ansatz, da dafür keine besonders aufwendige zusätzliche Fertigung erforderlich sein soll.

Bis zu 43 Prozent möglich

Der Ansatz könnte langfristig dazu beitragen, die bekannte Shockley-Queisser-Grenze für herkömmliche Solarzellen mit einem einzigen Übergang zu überwinden. Diese liegt nach Angaben des ICFO bei einem Wirkungsgrad von 33,16 Prozent. Eine ausreichend starke Einschränkung des Emissionswinkels könnte den theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad auf bis zu 43 Prozent erhöhen.

Eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 43 Prozent haben die Forscher allerdings nicht entwickelt. Die Studie zeigt vielmehr experimentell, dass sich der zugrunde liegende Verlustmechanismus durch die gezielte Steuerung der Lichtemission reduzieren lässt. Das Prinzip sei zudem nicht auf organische Solarzellen beschränkt und könnte grundsätzlich auch auf andere Photovoltaik-Technologien übertragen werden.

Sollte sich der Ansatz in leistungsfähigere kommerzielle Solarzellen übertragen lassen, könnte damit aus derselben Menge Sonnenlicht mehr elektrische Energie gewonnen werden. Das würde zugleich den Flächen- und Materialbedarf für eine bestimmte Strommenge verringern.

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