Neue Farbstoff-Solarzelle liefert doppelte Power
FAU-Forscher verringern Energieverluste mittels Singulett-Spaltung
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Solarzellen in Aktion: Forscher steigern Ausbeute (Foto: RainerSturm/pixelio.de) |
Erlangen/Nürnberg (pte014/22.08.2018/12:30) Mithilfe der sogenannten Singulett-Spaltung verdoppeln Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) http://fau.de die Zahl der Elektronen, die von einfallenden Lichtteilchen angeregt werden. Mit der Singulett-Spaltung in farbstoffsensibilisierten Solarzellen könnte die interne Energieausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen theoretisch verdoppelt werden. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal "Angewandte Chemie" veröffentlicht.
Nur 33 Prozent mit Silizium
Moderne Solarzellen, die im Kern aus Siliziumlagen bestehen, sind technisch zwar 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. "Die leistungsfähigsten Silizium-Solarzellen haben inzwischen einen Wirkungsgrad von 30 Prozent - damit ist die Technologie so gut wie ausgereizt", erklärt Andreas Kunzmann vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie I. "Neue Impulse kann nur ein alternativer technologischer Ansatz bringen", sagt der Experte.
Kraft des Pentacen-Moleküls
Genau diesen alternativen Ansatz verfolgt das Team. 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 Singulett-Spaltung, 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.
Zusammen mit Chemikern aus Alberta gelang den Erlanger Forschern ein praktikablerer Aufbau. Sie synthetisierten ein neues Pentacen-Molekül - eine Kohlenwasserstoffverbindung im festen Aggregatzustand, die als organischer Farbstoff das Sonnenlicht absorbiert. Kombiniert wird das Pentacen mit einer aus Indium-Zink-Oxid bestehenden Photoelektrode und einem Elektrolyt aus Lithium und Jod. Kunzmann: "Dieser Aufbau bringt die Singulett-Spaltung vom Reich der Grundlagenforschung in den Bereich der Anwendung."
Aktuell werden 130 Prozent erreicht. "Momentan halten wir die Spannung sehr niedrig, weil die gleichzeitige Anregung von Elektronen in benachbarten Molekülen noch zu hohe Verluste aufweist. Wenn wir diese Verlustprozesse besser kontrollieren, können wir auch die Effizienz weiter erhöhen", erläutert Kunzmann. Parallel dazu arbeiten die Forscher an der Langlebigkeit ihrer Entwicklung, um die Voraussetzung für die industrielle Fertigung zu schaffen.
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