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Sonnenenergie: Effizientere Solarmodule nutzen Abwärme

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Ein US-amerikanisches Forscherteam glaubt, den derzeit technisch erreichbaren Wirkungsgrad von Solarzellen nahezu verdoppeln zu können. Dazu soll auch ein Anteil bislang nicht nutzbarer eingestrahlter Sonnenenergie in Elektrizität umgewandelt werden, der derzeit noch als Wärme verloren geht. Grundlage der neuen Zellen soll eine clevere Kombination zweier spezieller Nanokristall-Materialien sein, mit denen sich die so genannten "heißen Elektronen" sammeln und ernten lassen.

Solarzellen funktionieren, weil die Sonnenstrahlung an der Oberfläche des Materials Elektronen freischlägt, wodurch bewegliche Ladungsträger entstehen. In den speziell zusammengesetzten Halbleiterzellen fließen dann negative und positive Ladungen (Elektronen und "Löcher") aufgrund der Materialeigenschaften in einem elektrischen Feld in unterschiedliche Richtungen, wodurch eine elektrische Spannung aufgebaut und somit am Ende Strom produziert wird. Ein Großteil des Sonnenlichtes regt aber nicht die Elektronen wie gewünscht an, sondern geht als Wärme verloren – weil die Elektronen sich schnell wieder mit Atomrümpfen vereinigen oder sofort einen Großteil der hohen Anregungsenergie durch Photonen wieder abstrahlen.

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Effizientere Solarzelle | Aus einer von der Sonne angestrahlten Oberfläche von Blei-Selen-Nanokristall können angeregte "heiße" Elektronen in einen Elektronenkollektor aus Titanoxid überführt werden. Die so transferierten Elektronen geben ihre Energie nicht in Form von Wärme ab – eine Solarzelle nach diesem Prinzip arbeitet also effizienter.
Solche Verluste wollen Xiaoyang Zhu von der University of Texas in Austin und seine Mitarbeiter vermeiden. Sie beobachteten zunächst, dass durch die Absorption von energiereichem Licht angeregte, "heiße" Elektronen rasch zu wandern beginnen. Sie bewegen sich dabei aus Blei-Selenid-Nanokristallen in angrenzende Titan-Dioxid-Elemente – ohne lange die Gelegenheit zur Rekombination zu haben oder als Wärmeverlust für die Stromproduktion auszufallen. Mit den Ladungen, die in den TiO2-Akzeptor überführt wurden, "kann dann weiter gearbeitet werden", meint Zhu. Entscheidend für eine maximale Ausbeute sei die Kombination der unterschiedlichen Halbleiter-Nanokristalle: Ihre Valenzbänder – Energieniveaus, in denen die Elektronen sich aufhalten dürfen – sollten quasi-kontinuierliche Kontinuität der Energie ermöglichen; möglichst also überlappen, so dass die Ladungsträger einfach zwischen den Materialien wechseln können, ohne dabei viele Photonen, also Energie, freizusetzen. Dies erhöhe die Lebensdauer der heißen Elektronen lange genug, um sie ableiten und nutzen zu können.

Indem Halbleiter geschickt kombiniert und chemisch sinnvoll modifiziert werden, könnte der theoretisch erreichbare maximale Wirkungsgrad typischer Solarzellen – er liegt bei rund 30 Prozent der eingestrahlten Energiemenge – vielleicht einmal sogar verdoppelt werden, hofft Zhu. (jo)

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  • Quellen
Tisdale, W.A. et al.: Hot-Electron Transfer from Semiconductor Nanocrystals. In: Science 328, 1543–1547, 2010.

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