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Forschung: Mehr Elektronen sollen Photovoltaik effizienter machen

Zwei dünne Schichten auf einer Silizium-Solarzelle könnten ihre Effizienz erhöhen. Grünes und blaues Licht kann darin gleich zwei Elektronen statt nur eines freisetzen.

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Herkömmliche Siliziumzellen könnten mit der Technik ein paar Prozent effizienter werden.
Herkömmliche Siliziumzellen könnten mit der Technik ein paar Prozent effizienter werden. (Bild: Fernando Tomás/Wikimedia/CC-BY 2.0)

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickeln derzeit Silizium-Solarzellen, die zwei Elektronen mit einem Photon anregen können. Der Prozess kann die maximale theoretische Effizienz einer solchen Solarzelle von 29 auf 35 Prozent erhöhen. Normalerweise kann jedes Lichtteilchen (Photon) nur ein Elektron in einer Solarzelle anregen, um daraus elektrischen Strom zu gewinnen.

Inhalt:
  1. Forschung: Mehr Elektronen sollen Photovoltaik effizienter machen
  2. Die Schicht könnte billiger als eine Tandem-Solarzelle sein

Aber mit Hilfe einer Schicht aus dem organischen Farbstoff Tetracen konnten die Forscher mit Photonen aus grünem und blauem Licht zwei Elektronen freisetzen. Da in der Solarzelle aus jedem Elektron die gleiche Menge Energie gewonnen wird, kann die Energieausbeute für diese Photonen verdoppelt werden. Nach Aussage der Forscher gibt es ähnliche Versuche seit etwa 40 Jahren, aber erst jetzt gelang es, die Elektronen freizusetzen und Strom aus ihnen zu erzeugen.

Strom wird in einer Solarzelle erzeugt, indem ein Elektron von einem Photon aus seinem Platz im Gitter gestoßen wird. Dabei entsteht eine Fehlstelle, ein Loch, ohne Elektron. Da die Löcher von benachbarten Elektronen besetzt werden können, die dann aber ihrerseits ein Loch an ihrer alten Stelle hinterlassen, verhalten sich die Löcher so ähnlich wie positiv geladene Teilchen.

Die Elektronen müssen in die Solarzelle gelangen

Die Zelle ist nun so gebaut, dass Elektronen und Löcher von gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle angezogen werden. Dadurch entsteht eine Spannung an den elektrischen Polen, über die Strom abgegriffen werden kann. Das Problem mit dem Tetracen ist nun, dass es die Elektronen und Löcher an der falschen Stelle erzeugt, nämlich nicht im Silizium der Solarzelle.

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Der Ansatz, eine Solarzelle nur mit Tetracen zu beschichten, funktioniert nicht. Der Grund ist wohl die Oberfläche des Siliziums. Im Inneren des Siliziumkristalls grenzt jedes Atom an ein anderes Atom, was besonders in Halbleitern deren elektrische Eigenschaften bestimmt. In Halbleitern können sich Elektronen und Löcher aus quantenphysikalischen Gründen nur bewegen, wenn sie eine gewisse Mindestenergie haben, die sogenannte Bandlücke. Bei Silizium sind das 1,1 Elektronenvolt (eV).

Ohne diese Bandlücke verlören die Elektronen auf dem Weg zu ihrem elektrischen Pol Energie. Die Möglichkeit, dass ein Elektron auf eines der entstandenen Löcher stößt, wäre auch viel größer. Bei dieser Rekombination geht die Energie komplett als Wärme verloren. Das kann leicht an der Oberfläche des Siliziums passieren, denn dort fehlen die Atome auf einer Seite. Das stört die elektrischen Eigenschaften, senkt die Bandlücke und macht die Rekombination einfach. Die Forscher vermuten, dass deswegen wohl bisher alle Elektronen auf dem Weg vom Tetracen in das Silizium verloren gegangen sind.

Elektronen tunneln durch eine dünne Barriere

In normalen Solarzellen befände sich auf der Oberfläche eine Schutzschicht, die stattdessen die Bandlücke erhöht und die Rekombination verhindert. Die Schutzschicht würde aber auch verhindern, dass die Elektronen vom Tetracen in die Solarzelle gelangen, wo sie hinsollen. Die Lösung bestand aus einer nur 0,8 Nanometer dünnen Trennschicht aus Hafniumoxynitrid. Aber mit einer Bandlücke von 4,3 eV würde das Material normalerweise alle Elektronen vom Tetracen blockieren, die mit 1,25 eV zu wenig Energie haben, um die Schicht zu durchqueren.

Auf so kleinen Dimensionen gelten indes die Gesetze der Quantenphysik. Die Elektronen werden von so einer Schicht nicht blockiert. Es ist nur so, dass die Chance, ein Elektron im Inneren der Schicht anzutreffen, sehr schnell sinkt, je tiefer sie in die Schicht eindringen sollen. Aber sie müssen nur 0,8 Nanometer tief eindringen, dahinter kommt schon das Silizium der Solarzelle. In der Physik wird gesagt, dass sie durch die Barriere tunneln.

Die Schicht könnte billiger als eine Tandem-Solarzelle sein 
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UserName-001 12. Jul 2019 / Themenstart

Den benötigst du wenn du von Autarkie sprichts auf jeden fall. Je nach Verbrauch und...

interlingueX 10. Jul 2019 / Themenstart

Da würde ich mich mal bei Google Scholar umsehen. Ist ein recht brauchbarer Anhaltspunkt...

interlingueX 10. Jul 2019 / Themenstart

Ich finde es immer schade, wie ungnädig manche Leser mit derlei Ankündigungen umgehen...

osolemiox 10. Jul 2019 / Themenstart

Denn genau genommen sind Standard-Solarmodule mit 270-280 Watt und einem VK von etwa 80...

melaw 09. Jul 2019 / Themenstart

Der Tunnelprozess ist nicht sehr effizient. Insgesamt befürchte ich, dass die Technik...

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