Forschung & Entwicklung

Mehr Leistung aus Sonnenlicht

Mithilfe der sogenannten Singulettspaltung wird die Zahl der Elektronen verdoppelt, die von einfallenden Lichtteilchen angeregt werden. Somit kann die Leistungsfähigkeit von Solarzellen deutlich gesteigert werden.

Siliziumsolarzellen sind technisch ausgereift und durch industrielle Massenproduktion vergleichsweise preiswert, haben jedoch einen Nachteil: Sie erzielen einen maximalen Wirkungsgrad von 33 Prozent. Die sogenannte Shockley-Queisser-Grenze legt zwar eine interne Energieausbeute von 100 Prozent zugrunde, weil ein Photon des Sonnenlichts theoretisch ein Elektron des Siliziumgitters anregen kann. Allerdings führen externe Faktoren zu erheblichen Energieverlusten: Reflexionen an Ober- und Grenzflächen, elektrische Widerstände und die Tatsache, dass nicht das gesamte Spektrum des sichtbaren Sonnenlichts optimal genutzt werden kann. Neue Impulse kann nur ein alternativer technologischer Ansatz bringen.

Genau diesen alternativen Ansatz verfolgt ein um Professor Dirk Guldi von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Da sich die externen Energieverluste einer Solarzelle nur bis zu einem gewissen Grad verringern lassen, setzen die Forscher bei der primären Energieausbeute an. Sie nutzen das Prinzip der sogenannten Singulettspaltung, bei der ein einfallendes Lichtteilchen nicht nur ein, sondern zwei Elektronen anregt. Neu ist dieses Prinzip nicht, allerdings konnte der Prozess bislang nur in Lösung oder hochkristallinen Materialien nachgewiesen werden – keine optimale Voraussetzung für den Einsatz in Solarmodulen. In Zusammenarbeit mit Chemikern der University of Alberta, Kanada, gelang den Erlanger Wissenschaftlern nun ein praktikablerer Aufbau. Sie synthetisierten ein neuartiges Pentacenmolekül – eine Kohlenwasserstoffverbindung im festen Aggregatzustand, die als organischer Farbstoff das Sonnenlicht absorbiert. Kombiniert wird das Pentacen mit einer aus Indium-Zinkoxid bestehenden Fotoelektrode und einem Elektrolyt aus Lithium und Jod. Dieser Aufbau bringe die Singulettspaltung von der Grundlagenforschung in den Bereich der Anwendung, sagt Dr. Andreas Kunzmann.

Mit der Singulettspaltung in farbstoffsensibilisierten Solarzellen könnte die interne Energieausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen theoretisch verdoppelt werden. Aktuell erreichen die Erlanger Chemiker durchschnittlich 130 Prozent. „Momentan halten wir die Spannung sehr niedrig, weil die gleichzeitige Anregung von Elektronen in benachbarten Molekülen noch zu hohe Energieverluste aufweist“, erklärt Dr. Kunzmann. „Wenn wir diese Verlustprozesse besser kontrollieren, können wir auch die Effizienz weiter erhöhen.“ Parallel dazu arbeiten die Forscher an der Langlebigkeit ihrer Entwicklung, um die Voraussetzung für die industrielle Fertigung zu schaffen.

Originalveröffentlichung:

[A. Kunzmann, M. Gruber, R. Casillas, J. Zirzlmeier, M. Stanzel, W. Peukert, R. R. Tykwinski, D. M. Guldi, Singlet Fission for Photovoltaics with 130 % Injection Efficiency, Angew. Chem. Int. Ed. (2018); DOI: 10.1002/anie.201801041]

von mn

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