Wirkungsgrad von Solarzellen verdoppeln?

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Den Wirkungsgrad von Solarzellen erhöhen? Daran arbeiten Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Jetzt haben sie erste, vielversprechende Ergebnisse vorgelegt. Mit Hilfe neuer Verfahren lässt sich die Effizienz von Solarzellen möglicherweise verdoppeln.

Den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen ist Anliegen vieler Wissenschaftler. Unter Laborbedingungen werden immer wieder Rekord-Ergebnisse erzielt. In der Praxis allerdings sieht es anders aus. Siliziumbasierte Solarzellen können heute unter realen Bedingungen eine Effizienz von maximal 20 bis 25 Prozent erreichen. Physiker und Chemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg arbeiten an einem besonders aussichtsverheißenden Verfahren zur Erhöhung der Effizienz: der sogenannten Singulett-Spaltung. Dabei handelt es sich um einen komplizierten Prozess, mit dem sich womöglich die Photovoltaik revolutionieren lässt.

Was ist Singulett-Spaltung

Die Singulett-Spaltung wurde bereits vor 50 Jahren entdeckt. Aber erst in den letzten Jahren haben Wissenschaftler deren Potenzial für die Solarindustrie erkannt. Es handelt sich um ein sehr komplexes chemisch-physikalisches Phänomen, das noch nicht endgültig erforscht ist. Bekannt ist aus der Chemie, dass wenn ein Lichtteilchen auf ein Molekül trifft, dann regt es dort ein Elektron an und hebt dieses Elektron auf ein höheres Energieniveau. Das Molekül befindet sich dann in einem Zustand höherer Energie. In der Wissenschaft spricht man von ‚Singulett Exzition‘. Von Natur aus strebt ein Molekül aber immer seinen energetischen Grundzustand an, es kehrt also auf sein ursprüngliches Energieniveau zurück. Das Elektron kann dabei über einen äußeren Stromkreis abgeführt werden und es entsteht elektrischer Strom. So weit so gut.

Wissenschaftler haben nun erkannt, dass ein Molekül in einigen Fällen überschüssige Energie verwendet, um ein zweites Molekül anzuregen. Im Ergebnis hat man zwei Moleküle mit erhöhtem Energieniveau und es lässt sich aus zwei Molekülen Strom gewinnen. Ein Lichtteilchen erzeugt zwei angeregte Elektronen – man spricht von Triplett-Exzitionen – mit denen sich elektrischer Strom erzeugen lässt: aus ein mach zwei.

Nutzen für die Photovoltaikforschung

Der ganze Prozess läuft unsagbar schnell ab – in einem Millionstel einer millionstel Sekunde, und außerdem eben auf Molekularebene. Das macht es sehr schwer, den Vorgang zu kontrollieren und genau zu verstehen. Die Wissenschaftler des Erlanger Lehrstuhls für Physikalische Chemie und des Lehrstuhls für Festkörperchemie arbeiten daran, den Prozess direkt zu steuern und zu beeinflussen.

Ihr Ziel ist es, neue hocheffiziente Solarzellen zu entwerfen. Deren Wirkungsgrad ließe sich bis auf 44 Prozent steigern, also das Doppelte des heute in der Praxis möglichen. Dazu wird der Einsatz unterschiedlicher Stoffe getestet. Ein aussichtsreicher Kandidat für die Singulett-Spaltung in Solarzellen beispielsweise ist ein spezieller Kohlenwasserstoff – Pentacen-Dimere – der in einer organischen Flüssigkeit gelöst wird. Die ersten Ergebnisse sind bemerkenswert. Die Erzeugung von Triplett konnte von für Pentacen üblichen 16 Prozent auf 156 Prozent gesteigert werden. Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler weitere Kohlenstoffmoleküle auf ihre Eignung für die Singulett-Spaltung hin untersuchen. Ziel ist es, geeignete Systeme zu entwerfen, auf deren Basis sich hocheffiziente Solarzellen entwickeln lassen.

 

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