Physikalische Grenze ausgehebelt

Der theoretisch maximale Wirkungsgrad für Silizium-Solarzellen liegt aufgrund physikalischer Materialeigenschaften bei 29,3 Prozent. Forscher haben jetzt einen Weg aufgezeigt, wie diese Grenze nach oben verschoben werden kann.

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In einer Solarzelle erzeugt einfallendes Licht (Photonen) in einem Halbleiter Ladungsträger. Normalerweise erzeugt ein Photon immer ein Ladungsträgerpaar (Exciton), bestehend aus einem schwach gebundenen negativ geladenen Elektron und einem positiven Loch. An den ladungsselektiven Kontakten der Solarzelle wird das Paar getrennt. Einem Team um Klaus Lips vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) ist es gelungen, die Solarzelle so zu bauen, dass bestimmte Photonen aus dem Lichtspektrum jeweils zwei Ladungsträgerpaare auf einmal erzeugen können, wie die Wissenschaftler berichten.

Der Effekt, den sie hierfür nutzen, tritt in bestimmten organischen Molekülkristallen auf und heißt Singlet exciton fission (SF). Er wird wirksam, wenn die Ladungsträgerpaare gewisse quantenphysikalische Bedingungen erfüllen: alle ihre Eigendrehimpulse (Spins) müssen parallel ausgerichtet sein – sie befinden sich dann in einem so genannten Triplettzustand. Diese Triplett-Excitonen sind recht langlebig und sehr stark aneinandergebunden. Eine Schwierigkeit ist daher, die Triplett-Paare aus dem organischen Material an der Grenzfläche zu Silizium auseinander zu reißen, sodass die freiwerdenden positiven und negativen Ladungsträger zum Strom der Solarzelle beitragen können. 

Die HZB-Forscher konnten zeigen, dass die Trennung der Triplett-Paare möglich ist und die Quantenausbeute pro Photon auf 200 Prozent verdoppelt werden kann. "Damit lässt sich der theoretisch maximale Wirkungsgrad einer Silizium-Solarzelle auf zirka 40 Prozent steigern", sagt der Australier Rowan MacQueen, der sich dem HZB-Team vor zwei Jahren angeschlossen hat und eine Ladungsträgermultiplikator-Solarzelle am HZB realisiert.

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