HZB-Forscher finden Weg, die Wirkungsgrad-Grenze für Silizium-Solarzellen zu erhöhen

HZB-Forscher finden Weg, die Wirkungsgrad-Grenze für Silizium-Solarzellen zu erhöhen

(Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), 02.10.2018)

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist eine ihrer wichtigsten Kenngrößen. Er gibt an, wieviel Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die theoretische Grenze für Silizium-Solarzellen liegt aufgrund physikalischer Materialeigenschaften bei 29,3 Prozent. Im Fachjournal Materials Horizons beschreiben Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zusammen mit internationalen Kollegen, wie diese Grenze aufgehoben werden kann. Der Trick: sie bauen organische Schichten in die Solarzelle ein. Diese wandeln die Energie der hochenergetischen Photonen (grünes und blaues Licht) so um, dass sich die Stromausbeute in diesem Energiebereich verdoppelt.

Das Prinzip einer Solarzelle ist einfach: einfallende Lichtteilchen (Photonen) erzeugen in einem Halbleiter Ladungsträger. Normalerweise erzeugt ein Photon immer ein Ladungsträgerpaar (Exiton) bestehend aus einem schwach gebundenen negativ geladenen Elektron und einem positiven Loch. An den ladungsselektiven Kontakten der Solarzelle wird das Paar getrennt. Dem Team um HZB-Forscher, Prof. Klaus Lips, ist es nun gelungen, die Solarzelle so zu bauen, dass bestimmte Photonen aus dem Lichtspektrum jeweils zwei Ladungsträgerpaare auf einmal erzeugen können.
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-Exzitonen sind recht langlebig und sehr stark aneinander gebunden. Eine Schwierigkeit ist daher, die Triplett-Paare aus dem organischen Material an der Grenzfläche zu Silizium auseinander zu reißen, sodass die frei werdenden positiven und negativen Ladungsträger zum Strom der Solarzelle beitragen können.

In einem richtungsweisenden Experiment haben die HZB-Forscher nun gezeigt, 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 die Ladungsträgermultiplikator-Solarzelle am HZB realisiert.

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