Solarzellen stoßen bisher an eine physikalische Effizienzgrenze. Doch ein neuer theoretischer Ansatz könnte diese deutlich verschieben. Forscher zeigen, wie sogenannte heiße Elektronen künftig besser genutzt und damit deutlich höhere Wirkungsgrade für Solarzellen möglich werden könnten.
Für die Leistungsfähigkeit einer Solaranlage ist der Wirkungsgrad der Solarzellen entscheidend. Denn er gibt an, welcher Anteil der einfallenden Sonnenenergie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Je höher also dieser Wert ist, desto mehr Strom lässt sich auf derselben Fläche erzeugen. Damit ist der Wirkungsgrad ein wichtiger Faktor hinsichtlich der Kosten und des Flächenbedarfs für den Einsatz auf Dächern oder in Solarparks.
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Herkömmliche Solarzellen, die das Sonnenlicht in nur einer Halbleiterschicht umwandeln, stoßen hierbei jedoch an eine physikalische Grenze. Denn nach dem sogenannten Shockley-Queisser-Limit liegt der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad für diese Zellen unter üblichen Bedingungen bei rund 33 Prozent.
Forscher der Universität Groningen haben nun jedoch einen Mechanismus untersucht, der helfen könnte, diese Grenze künftig zu überwinden. Mit dieser theoretischen Forschung könnte die Wirkungsgradgrenze in der Photovoltaik langfristig weiter verschoben werden.
Was bedeutet die neue Theorie für den Wirkungsgrad von Solarzellen?
Im Mittelpunkt der Untersuchung stehen sogenannte heiße Elektronen, die nach der Aufnahme besonders energiereicher Lichtteilchen zunächst über überschüssige Energie verfügen. Normalerweise geht diese Energie innerhalb kürzester Zeit als Wärme verloren.
Innerhalb von Pikosekunden (0,000000000001 Sekunden) verflüchtigt sich diese Wärme unter normalen Umständen. „Das bedeutet, dass die Energie verloren geht, noch bevor das heiße Elektron das Material der Solarzelle verlässt“, erklärt Jan Anton Koster, Professor für Physik neuartiger Halbleiter und Bauelemente an der Universität Groningen.
Wie die Forschung nun jedoch zeigt, bleibt diese zusätzliche Energie in bestimmten Zinn-Perowskiten deutlich länger erhalten. Dadurch könnte diese Energie potenziell für die Stromerzeugung nutzbar gemacht werden.
Damit gerät zugleich eine der zentralen Annahmen des Shockley-Queisser-Limits ins Wanken. Denn das Modell geht unter anderem davon aus, dass die überschüssige Energie heißer Elektronen vollständig und sehr schnell in Form von Wärme verloren geht. Gelingt es, einen Teil dieser Energie stattdessen elektrisch nutzbar zu machen, ließe sich diese Verlustquelle verringern und die bisherige Wirkungsgradgrenze prinzipiell überschreiten.
Forscher zweifelten zunächst an der Messung
Ausgangspunkt für die Untersuchungen an der Universität Groningen war ein Experiment der Forscherin Maria Antonietta Loi, Professorin für Photophysik und Optoelektronik. Sie beobachtete in einem Experiment, dass heiße Elektronen ihre überschüssige Energie in einem Zinn-Perowskit nicht – wie sonst üblich – innerhalb weniger Pikosekunden verloren.
Stattdessen verlagerte sich der Abkühlungsprozess bis in den Nanosekundenbereich und dauerte damit etwa 1.000-mal länger. „Die Messungen waren eindeutig, aber wir verstanden die zugrundeliegende Physik nicht“, erklärt Lois Kollege Koster.
Um die Beobachtung zu erklären, untersuchten Koster und sein Doktorand Tim Faber den Energieverlust mithilfe von Simulationen. Dabei zeigten sich zwei Effekte.
Zum einen kann die beim Abkühlen entstehende Wärme von den Elektronen teilweise wieder aufgenommen werden. Dieses Phänomen ist als „Hot Phonon Bottleneck“-Effekt bekannt, reiche allerdings allein nicht aus, um die extrem langen Abkühlzeiten zu erklären.
Erst als die Forscher zusätzlich den sogenannten Burstein-Moss-Effekt berücksichtigten, stimmten die Simulationen mit den Messungen überein. „Als wir auch diesen Prozess in die Simulation integrierten, stellten wir fest, dass der Energieverlust nun im Nanosekundenbereich lag – genau wie in den Experimenten von Maria Loi beobachtet“, fasst Koster zusammen.
Der Burstein-Moss-Effekt sagt aus, dass Elektronen bestimmte niedrigere Energiezustände nicht einnehmen können, wenn diese bereits besetzt sind. Dadurch werden die heißen Elektronen daran gehindert, ihre überschüssige Energie schnell abzugeben und ihr Abkühlungsprozess verlangsamt sich deutlich.
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