130 Prozent Ausbeute aus Licht: Neuer Mechanismus holt mehr aus Photonen heraus

Ein Team der Kyushu-Universität in Japan hat gemeinsam mit Kolleg:innen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ein Verfahren entwickelt, das die Ausbeute nutzbarer Ladungsträger in Solarzellen erheblich steigern könnte. Die im Journal of the American Chemical Society veröffentlichte Studie beschreibt einen molekularen Mechanismus, der es erlaubt, aus einem einzigen hochenergetischen Photon zwei verwertbare Energieeinheiten zu gewinnen – eine Möglichkeit, die bislang als schwer realisierbar galt.

Physikalische Grenzen begrenzen klassische Solarzellen

Silizium-Solarzellen erreichen heute typischerweise Wirkungsgrade von rund 20 Prozent – trotz jahrzehntelanger Optimierung. Der Hauptgrund liegt in der Natur des Lichts selbst: Sonnenstrahlung besteht aus Photonen sehr unterschiedlicher Energie. Infrarotphotonen tragen zu wenig Energie, um Elektronen aus dem Halbleitermaterial zu lösen; sie werden stattdessen als Wärme absorbiert und sind damit für die Stromerzeugung verloren. Blaue Lichtphotonen besitzen dagegen deutlich mehr Energie als benötigt – auch ihr Überschuss dissipiert als Wärme. Dieses strukturelle Missverhältnis setzt dem Wirkungsgrad eine physikalisch begründete Obergrenze von etwa 33 Prozent, bekannt als Shockley-Queisser-Limit. Hinzu kommt ein weiterer Engpass: Standardmäßig erzeugt ein eintreffendes Photon genau einen Exziton, also ein gebundenes Elektron-Loch-Paar, das den nutzbaren Ladungsträger darstellt. Diese Eins-zu-eins-Beziehung galt lange als unveränderliche Gegebenheit – und genau hier setzt die japanisch-deutsche Forschungsarbeit an.

Singulett-Spaltung als Schlüssel zur doppelten Nutzung von Photonen

Die Grundidee des neuen Ansatzes ist die sogenannte Singulett-Spaltung: Ein hochenergetischer Exziton zerfällt dabei in zwei energieärmere Triplett-Exzitonen. Aus einem einzigen Photon könnten so theoretisch zwei nutzbare Ladungsträger entstehen. Das Konzept ist der Wissenschaft seit geraumer Zeit bekannt, seine praktische Umsetzung scheiterte jedoch bislang an einem entscheidenden Problem: Die entstehenden Triplett-Exzitonen wurden regelmäßig durch den sogenannten Förster-Resonanzenergietransfer abgefangen und gingen verloren, bevor sie verwertet werden konnten. Assoziierter Professor Yoichi Sasaki von der Kyushu-Universität beschreibt das übergeordnete Ziel: Es gebe zwei Hauptstrategien, die Effizienzgrenze zu überwinden – die Aufwärtskonversion energiearmer Infrarotphotonen sowie die Singulett-Spaltung, um aus einem einzigen angeregten Photon zwei Exzitonen zu erzeugen. Die Innovation des Teams besteht darin, das Singulett-Spaltungs-Material mit einem molybdänbasierten „Spin-Flip“-Emitter zu kombinieren. Dieser Metallkomplex wechselt beim Absorptions- und Emissionsvorgang den Spinzustand eines Elektrons – eine Eigenschaft, die es ihm erlaubt, Triplett-Exzitonen selektiv aufzunehmen und den verlustbringenden Konkurrenzpfad zu blockieren.

Warum 130 Prozent Quantenausbeute kein physikalischer Widerspruch sind

Das experimentelle Ergebnis ist eine gemessene Quantenausbeute von rund 130 Prozent. Diese Angabe bezieht sich ausschließlich auf das Verhältnis von erzeugten Ladungsträgern zu absorbierten Photonen – nicht auf das Verhältnis von gewonnener zu eingestrahlter Energie. Eine echte Energieeffizienz über 100 Prozent würde den Energieerhaltungssatz verletzen und ist physikalisch ausgeschlossen. Praktisch bedeutet das Ergebnis: Pro absorbiertem Photon entstehen im Schnitt 1,3 nutzbare Ladungsträger statt des üblichen einen. Energie, die bislang als Wärme aus dem System entwich, wird damit partiell zurückgewonnen. Theoretische Modelle legen nahe, dass gut konstruierte Solarzellen auf Basis dieses Prinzips Wirkungsgrade zwischen 35 und 45 Prozent erreichen könnten – in günstigen Szenarien fast doppelt so viel wie aktuelle Siliziummodule. Bis zu einer marktfähigen Anwendung ist es allerdings noch ein weiter Weg: Die bisherigen Experimente erfolgten in Lösung auf molekularer Ebene, und die Übertragung in ein festes Bauelement stellt eine erhebliche technische Herausforderung dar.

via Journal of the American Chemical Society