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Fotovoltaik: Neues Solarzellendesign nutzt Licht doppelt optimal aus

SolarzellenLaden...
Sonnenlicht erzeugt in Solarzellen bewegliche Ladungsträger, die eine elektrische Spannung und damit Strom erzeugen. Ein Teil der eingestrahlten Energie geht allerdings in Form von Wärme verloren. Durch ein neues Solarzellendesign haben Wissenschaftler diese Wärmeverluste nun reduziert und die Quantenausbeute dafür erhöht. Gleich mehrere Elektronen werden pro eingestrahltem Lichtteilchen aus einem Halbleitermaterial herausgelöst und für die Stromproduktion eingefangen. Der Wirkungsgrad von Solarzellen ließe sich auf diese Weise weiter steigern.

Die Forscher um Bruce Parkinson von der University of Wyoming in Laramie stellten zunächst Licht absorbierende Nanokristalle aus Bleisulfid her, die sie dann über eine chemische Bindung mit Elektroden aus einkristallinem Titandioxid verbanden. In ihrem Experiment strahlten sie Licht verschiedener Frequenz – und damit Energie – auf das System und ermittelten jeweils den resultierenden Fotostrom. Dabei variierten sie auch die Größe der angeleuchteten Nanokristalle.

Ab einer bestimmten Energie kann ein Photon ein Elektron aus einem Halbleitermaterial herauslösen – abhängig von der elektronischen Struktur des Materials. Die freien Elektronen und die freigewordenen Plätze, die so genannten Löcher, dienen der Solarzelle nun als negative beziehungsweise positive Ladungen, die voneinander getrennt und zur entsprechenden Elektrode transportiert werden. In gewöhnlichen Solarzellen sollte jedes Photon genau ein solches Elektron-Loch-Paar erzeugen. Überschüssige Energie bekäme das Ladungspaar dann in Form von Bewegungsenergie mit – für die Stromerzeugung geht diese Restenergie verloren. Der maximal erreichbare Wirkungsgrad einer Solarzelle sollte in diesem Fall auf rund 30 Prozent begrenzt sein.

In Nanokristallen aus Bleisulfid kann ein einzelnes Photon dagegen mehrere Elektron-Loch-Paare erzeugen, die dann prinzipiell zur Stromproduktion zur Verfügung stehen. Dass sie auch genutzt werden, konnten Parkinson und sein Team nun insbesondere für Bleisulfidkristalle mit einem Durchmesser von rund 4,5 Nanometern zeigen. Bei energiereichem Licht trug durchschnittlich mehr als ein Elektron-Loch-Paar zum Fotostrom bei, berichten die Autoren.

Die starke elektronische Kopplung von Bleisulfid-Nanokristallen und Titandioxid sowie deren vorteilhafte Bandstruktur würden diese optimale Verwertung des Sonnenlichts ermöglichen, so Parkinson und sein Team. Zum einen ließen sich pro Photon mehrere Exzitonen nutzen, bevor diese rekombinieren – sich Elektronen also wieder mit Atomrümpfen vereinen –, und zum anderen auch "heiße", also besonders schnelle Elektronen einfangen. Ihr Design könnte das Sonnenlicht somit wesentlich effizienter nutzen – und womöglich den Wirkungsgrad auf bis zu 45 Prozent steigern, spekulieren die Forscher.

Erst kürzlich stellten Wissenschaftler ein System aus Blei-Selen-Nanokristallen und einem Elektronenkollektor aus Titanoxid vor, das ebenfalls heiße Elektronen einfängt. Der Wirkungsgrad handelsüblicher Solarzellen mag auf diese Weise vielleicht sogar verdoppelt werden, meinen die beteiligten Forscher. (mp)
39. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 39. KW 2010

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  • Quellen
Sambur J. B. et al.: Multiple Exciton Collection in a Sensitized Photovoltaic System. In: Science 330, S. 63–66, 2010.

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