Mehr Elektronen aus Sonnenlicht

Bethlehem (USA) - Dank verbesserter Fertigungsmethoden steigt der Wirkungsgrad von Solarzellen stetig. Die besten monokristallinen Siliziumzellen wandeln im Labor bereits 26,1 Prozent der Energie des Sonnenlichts in elektrischen Strom um. Und neue Konzepte wie Tandem-Solarzellen mit einer zusätzlichen Perowskit-Schicht ermöglichen bereits 32,9 Prozent. Einen völlig neuen Weg schlagen nun zwei amerikanische Materialforscher vor. In Modellrechnungen zeigten sie, dass eingelagerte Kupferatome einen weiteren Sprung bei den Wirkungsgraden erlauben könnten. Die Ursache dafür liegt laut ihrem Bericht in der Fachzeitschrift „Science Advances“ in der Freisetzung von mehr als einem Elektron für jedes einzelne absorbierte Lichtteilchen.

Für ihre Simulationen einer neuartigen Solarzellen wählten Srihari M. Kastuar und Chinedu E. Ekuma von der Lehigh University in Bethlehem die Halbleitermaterialien Germaniumselenid und Zinnsulfid. Zusätzlich setzten sie in diese nur wenige Nanometer dünnen Schichten – virtuell am Computer – einzelne Kupferatome. Dank dieser Einlagerung bildeten sich mehrere Energieniveaus aus, über die Elektronen aus einem unteren Valenzband in ein oberes Leitungsband springen können. Frei bewegliche Elektronen im Leitungsband bilden die Grundlage für einen photovoltaischen Strom, der sich von einer Solarzelle abgegreifen lässt.

Nun erzeugt in einer Solarzelle grundsätzlich ein Photon höchstens genau ein Elektron. Das entspricht maximal einer Umwandlungsrate – externe Quanteneffizienz genannt – von 100 Prozent. Die neue Schichtstruktur mit eingelagerten Kupferatomen führte in den Modellrechnungen zu deutlich höheren Umwandlungsraten zwischen 110 und 190 Prozent. Pro absorbiertes Lichtteilchen könnten solche Solarzellen also mehr als ein Elektron freisetzen. Verantwortlich dafür waren die zusätzlichen Energieniveaus in der Bandstruktur, über die Elektronen aus dem Valenzband über eine Zwischenstufe bis zum Leistungsband gelangen konnten. Diese erhöhte Quanteneffizienz hebt den theoretischen Höchstwert für den Wirkungsgrad – das Shockley-Queisser-Limit – von etwa 32 Prozent auf stolze 63 Prozent. Zudem könnten diese neuartigen Solarzellen bis zu 80 Prozent des einfallenden Sonnenlichts absorbieren und dabei bevorzugt den Wellenlängenbereich vom sichtbaren Licht bis weit ins Infrarote nutzen.

Konkrete Wirkungsgrade lassen sich allein mit Modellrechnungen allerdings nicht bestimmen. Dafür müsste der Designvorschlag von Kastuar und Ekuma erst in die Praxis umgesetzt werden, um reale Solarzellen mit eingelagerten Kupferatomen zu charakterisien. Die dafür nötigen Fertigungstechniken vor allem für die Herstellung extrem dünner Schichten aus Germaniumselenid und Zinnsulfid sowie für die Einlagerung von Kupferatomen stünden nach Aussage der Forscher zur Verfügung. „Unser Modell ist ein viel versprechender Kandidat für die Entwicklung von hocheffzienten Solarzellen der nächsten Generation“, ist Ekuma überzeugt.