Forschung & Entwicklung

Höhere Wirkungsgradgrenze für Siliziumsolarzellen

Eine zusätzliche nanometerdicke organische Schicht in einer Siliziumsolarzelle führt zu einer deutlichen Steigerung des Wirkungsgrades. Ziel ist es, dass Photonen aus einem bestimmten Spektralbereich den Stromfluss verdoppeln.

Die theoretische Wirkungsgradgrenze für Siliziumsolarzellen liegt aufgrund physikalischer Materialeigenschaften bei 29,3 Prozent. Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zusammen mit internationalen Kollegen haben diese Grenze nun aufgehoben. Der Trick: Sie bauen organische Schichten in die Solarzelle ein, die die Stromausbeute verdoppeln sollen.

Das Prinzip einer Solarzelle ist einfach: Einfallende 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 Professor Klaus Lips ist es nun gelungen, die Solarzelle so zu bauen, dass bestimmte Photonen aus dem Lichtspektrum jeweils zwei Ladungsträgerpaare auf einmal erzeugen können. „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 und die Ladungsträgermultiplikator-Solarzelle am HZB realisiert hat.

Der Effekt, den die Forscher hierfür nutzen, tritt in bestimmten organischen Molekülkristallen auf und heißt ‚Singlet exciton fission‘ (SF). Die Ladungsträgerpaare befinden sich dann in einem sogenannten Triplettzustand. Diese Triplettexzitonen sind recht langlebig und sehr stark aneinander gebunden. Eine Schwierigkeit ist daher, die Triplettpaare 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. Die Trennung gelingt mit einem zusätzlich eingebrachten organischen Leiter, genannt PEDOT:PSS.

In dem Experiment haben die Forscher eine nur 100 Nanometer dünne organische Schicht aus Tetracen-Kristallen in die Oberfläche einer Siliziumsolarzelle integriert. Die Messergebnisse zeigen deutlich: Tetracen absorbiert den blau-grünen Anteil des Lichts, die energieärmeren Photonen werden vom Silizium absorbiert. Mit einer Simulation konnten die Forscher abschätzen, dass derzeit zirka fünf bis zehn Prozent der erzeugten Triplettpaare dem Solarstrom zugefügt werden konnten.

Der zusätzliche Stromfluss, der durch die Huckepackschicht erzeugt wird, ist in dem aktuell vorgestellten Experiment zwar noch nicht sehr groß, die Forscher wissen jedoch nun, dass der Ansatz prinzipiell funktioniert und was getan werden muss, um die Ausbeute an getrennten Triplettexzitonen auf bis zu 200 Prozent zu erhöhen.

Das Rennen um die besten Wirkungsgrade in der Siliziumtechnologie

Trotz vieler Neuentwicklungen ist in der Solarzellenproduktion derzeit immer noch Silizium das Material der Wahl. Die Produktionstechnologien sind ausgereift, die besten Solarzellen erreichen heute eine Effizienz um die 25 Prozent. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad des Halbleiters von 29,3 Prozent ist damit fast erreicht. Forschergruppen weltweit suchen nach unterschiedlichen Wegen, diese Grenze in die Höhe zu treiben.

Der größte Teil des Verlusts entsteht dadurch, dass ein Teil der eingestrahlten Lichtenergie in Wärme umgewandelt wird und somit verloren geht. Nur ein Teil des Lichtspektrums kann genutzt werden, um tatsächlich elektrischen Strom zu erzeugen. Ein häufig genutzter Ansatz zur Verminderung der Wärmeverluste ist daher die sogenannte Tandemsolarzelle. Man kombiniert Silizium mit einem zusätzlichen Material, das andere Bereiche des Lichtspektrums als Silizium verwerten kann. Vielversprechend sind aktuell Silizium-Perowskit-Tandems, an denen auch das HZB forscht.

Klaus Lips und sein Team gehen andere Wege und wollen ohne ein neues Solarzellenmaterial auskommen. Vor ein paar Jahren haben sie zum Beispiel Experimente zur sogenannten fotochemischen Hochkonversion gezeigt. Hierbei werden zwei energiearme Photonen, die eigentlich in der Solarzelle wirkungslos bleiben, zu einem energiereichen Photon gebündelt, das anschließend zur Stromgewinnung beiträgt.

Der hier vorgestellte Ansatz ist eine neue, vielversprechende Methode der Quantenphysik, die der Photovoltaiktechnologie einen neuen Schub geben kann.

von mg

Originalveröffentlichung:
[R. W. MacQeen et al.,Crystalline silicon solar cells with tetracene interlayers: the path to silicon-singlet fission heterojunction devices, Mater. Horiz. (2018), DOI: 10.1039/C8MH00853A ]

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