Neue Methode übertrifft das Shockley-Queisser-Limit für Solarzellen

Neue Methode wandelt „überschüssige“ Lichtenergie in zusätzliche Ladungsträger um und übertrifft das klassische Limit

Forschende haben einen Ansatz entwickelt, um eine der zentralen grundlegenden Begrenzungen der Solarenergie zu umgehen: das Shockley-Queisser-Limit. Diese maximale theoretische Effizienz einer Solarzelle galt seit mehr als 60 Jahren als Obergrenze für Photovoltaikelemente.

Moderne Solarmodule basieren auf Photovoltaikzellen – Halbleitern, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Doch selbst unter idealen Bedingungen können sie nur einen Teil der Energie des Sonnenlichts verwerten. Das theoretische Maximum liegt bei 33%, während kommerzielle Module in der Regel nur etwa 25% erreichen.

Diese Begrenzung ergibt sich aus den Eigenschaften des Lichts und der Thermodynamik. Sonnenstrahlung umfasst ein breites Energiespektrum, Fotovoltaikzellen können jedoch lediglich einen engen Bereich effizient umsetzen. Photonen mit zu geringer Energie durchdringen das Material, während energiereichere Photonen ihre überschüssige Energie als Wärme abgeben.

Singulettspaltung für blaues Licht

In einer neuen Studie stellten Forschende aus Japan und Deutschland einen Weg vor, jenen Spektralbereich nutzbar zu machen, der bislang als „verloren“ galt. Gemeint ist hochenergetisches blaues Licht, das unter normalen Bedingungen nicht effizient in Strom umgewandelt werden kann.

Die Wissenschaftler zeigten, dass sich beim Einwirken dieses Lichts auf eine spezielle Verbindung die Energie eines einzelnen Photons in zwei nutzbare Anregungen „aufteilen“ lässt. Damit wurde eine Effizienz von rund 130% erreicht: Auf jeweils 100 absorbierte Photonen kommen 130 Energieträger.

Entscheidend ist dabei das Phänomen der Singulettspaltung. Ein angeregter Zustand kann dadurch zwei Anregungen erzeugen, wodurch sich die Zahl der Ladungsträger erhöht, ohne dass mehr Photonen absorbiert werden müssen.

Tetracen und Molybdän als Materialkombination

Für das Verfahren kombinierten die Forschenden das organische Molekül Tetracen mit dem Metallelement Molybdän. Tetracen wurde bereits zuvor zur Nutzung hochenergetischen Lichts eingesetzt, allerdings hatten entsprechende Systeme Schwierigkeiten mit Stabilität und langfristigem Betrieb. Die Zugabe von Molybdän habe diese Einschränkungen überwunden, so die Autoren.

Yoichi Sasaki vom Chemikerteam der Universität Kyushu erklärte, es gebe zwei grundlegende Wege, das Shockley-Queisser-Limit zu überwinden. Der erste Ansatz bestehe darin, niederenergetische Infrarotphotonen in energiereichere Photonen umzuwandeln. Der zweite nutze die Singulettspaltung, um aus einem Photon zwei Anregungen zu gewinnen – genau dieser Ansatz wurde in der vorliegenden Arbeit umgesetzt.

Noch im Laborstadium

Die Untersuchung befindet sich bislang in der Laborphase. Die Ergebnisse belegen zwar grundsätzlich, dass sich die fundamentale Begrenzung umgehen lässt, bis zu einem praktischen Einsatz in kommerziellen Solarmodulen ist es jedoch noch ein weiter Weg.

Dennoch handelt es sich um einen der auffälligsten Fortschritte bei der Neubewertung eines Limits, das lange als unüberwindbar angesehen wurde. Sollte sich die Technologie skalieren lassen, könnte sie die Entwicklung von Photovoltaikzellen verändern und die Effizienz der Solarenergie steigern, ohne deren grundlegende Architektur radikal umzugestalten.