Neue Farbstoff-Solarzelle bringt mehr Power

© Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)

Erlangen – Marktgängige Silizium-Solarzellen weisen einen Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent auf. Forscher aus Erlangen haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem der Zellen-Gesamtwirkungsgrad deutlich gesteigert werden kann.

Chemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) arbeiten an neuartigen Farbstoff-Solarzellen, die einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweisen. Mit Hilfe der sogenannten Singulett-Spaltung verdoppeln die Forscher die Zahl der Elektronen, die von einfallenden Lichtteilchen angeregt werden.

Shockley-Queisser-Grenze begrenzt Wirkungsgrad bei 30 Prozent
Moderne Silizium-Solarzellen sind technisch bereits weitgehend ausgereift. Ihr maximaler Wirkungsgrad liegt bei 33 Prozent. Die sogenannte Shockley-Queisser-Grenze legt zwar eine interne Energieausbeute von 100 Prozent zugrunde, da 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.

Singulett-Spaltung verdoppelt Ladungsträger
Für neue Impulse in der Solarzellenentwicklung könnte ein alternativer Ansatz eines Chemiker-Teams der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) um Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Dirk Guldi sorgen. Da sich die externen Energieverluste einer Solarzelle nur bis zu einem gewissen Grad verringern lassen, setzen die Forscher bei dem neuen Verfahren bei der primären Energieausbeute an. Dabei nutzen Sie das Prinzip der sogenannten Singulett-Spaltung, bei der ein einfallendes Lichtteilchen nicht ein, sondern zwei Elektronen anregt. Neu ist dieses Prinzip nicht, allerdings konnte der Prozess bislang nur in Lösung oder hochkristallinen Materialien nachgewiesen werden, also Materialien, die sich nicht für den Einsatz in Solarmodulen eignen.

In Zusammenarbeit mit Chemikern der University of Alberta, Kanada, gelang den Erlanger Wissenschaftlern nun ein praktikablerer Aufbau. Sie synthetisierten ein neuartiges 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.

Interne Quantenausbeute bei 130 Prozent
Mit der Singulett-Spaltung in farbstoffsensibilisierten Solarzellen könnte die interne Energieausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen theoretisch verdoppelt werden. Aktuell erreichen die Erlanger Chemiker durchschnittlich 130 Prozent der maximalen theoretischen Leistung. Momentan werde die Spannung sehr niedrig gehalten, weil die gleichzeitige Anregung von Elektronen in benachbarten Molekülen noch zu hohe Energieverluste aufweise Wenn alle Prozesse optimiert sind, könnten die neuartigen Solarzellen am Ende einen Gesamtwirkungsgrad von 43 Prozent aufweisen, so Dr. Kunzmann auf Anfrage von IWR Online. Parallel zur technischen Entwicklung arbeiten die Forscher an der Langlebigkeit ihrer Entwicklung, um die Voraussetzung für die industrielle Fertigung zu schaffen.