„Zwei-für-eins“-Deal über Elektronen zur Steigerung der Solarzelleneffizienz

Eine von der University of California (UC) – Riverside durchgeführte Studie schlägt eine innovative Methode vor, um den Wirkungsgrad kommerzieller Solarzellen auf über 30 % zu steigern.

Der als „Singulett-Spaltung“ bekannte Prozess ermöglicht eine Verdoppelung der durch hochenergetisches Licht erzeugten elektrischen Ladung. Dieses Forschungsgebiet wurde auch vom MIT und der University of Cambridge vorangetrieben.

Die am häufigsten verwendeten Solarzellen bestehen aus kristallinem Silizium. Sie erzeugen Elektrizität, indem sie die gesamte Energie eines Lichtpakets (ein sogenanntes „Photon“) absorbieren und in ein Elektron umwandeln. Diese erzeugten Elektronen addieren sich dann zu dem von einer Solarzelle extrahierten Strom. Allerdings besitzen Photonen je nach Wellenlänge (oder „Farbe“) des Lichts unterschiedliche Energiemengen und können nur dann von Silizium absorbiert werden, wenn ihre Energie über einer Untergrenze liegt, die als „Bandlückenenergie“ bezeichnet wird. Und was die Sache noch schlimmer macht: Überschüssige Energie oberhalb der „Bandlücke“, die ein Photon besitzt, kann nicht zur Erzeugung anderer Elektronen genutzt werden und wird in Form von Wärme verschwendet. Bis jetzt.

Das Besondere an der Singulett-Spaltung ist, dass der Prozess die Erzeugung von zwei Elektronen für jedes hochenergetische Photon ermöglicht. Dies verdoppelt effektiv den potenziellen Strom, der von energiereichen Abschnitten des Lichtspektrums erzeugt wird, und ermöglicht eine effizientere Solarenergieerzeugung. Erste Schätzungen der UC Riverside gehen davon aus, dass die Singulettspaltung „das Potenzial hat, die Effizienz von Solarzellen um bis zu 30 % zu steigern“. Christopher Bardeen, Professor für Chemie an der UC Riverside, bemerkte, dass „(jüngste Arbeiten) bereits eine organische Photovoltaikzelle mit einer externen Quanteneffizienz von mehr als 100 Prozent basierend auf diesem Effekt gezeigt haben.“ Es könnte möglich sein, diesen Effekt in (Silizium-Solarzellen) zu integrieren und ihn zur Steigerung ihrer Effizienz zu nutzen.“

Die Forschung befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium und wird noch auf grundlegender Ebene verstanden. Im Moment ist es weit von einer kommerziellen Anwendung entfernt, aber es ist sicherlich eine Technik, nach der man bei zukünftigen PV-Entwicklungen Ausschau halten sollte.

Die Materialien, die derzeit zum Nachweis der Singulett-Spaltung verwendet werden, sind billige organische Verbindungen und es ist nicht zu erwarten, dass sie die PV-Herstellungskosten wesentlich erhöhen. Eine Steigerung der Zelleffizienz um 30 % würde zu einer Reduzierung der PV-Modulkosten um etwa 25 % und einer Verringerung der Systemkosten führen, was alles gute Nachrichten für australische PV-Verbraucher sind, die weniger für ihre PV-Anlagen bezahlen möchten.

Top-Bildnachweis: Wissenschaft täglich