Über dem Limit: Forscher erreichen 130 Prozent Quantenausbeute bei Solarzellen

Summary

Ein Team der Kyushu University im japanischen Fukuoka hat gemeinsam mit der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz ein Verfahren entwickelt, das die theoretische Effizienzgrenze herkömmlicher Fotovoltaik deutlich verschiebt. Durch den Einsatz eines speziellen Molybdän-basierten Metallkomplexes erreichten die Forscher:innen eine Quantenausbeute von rund 130 Prozent. Die Jagd nach den verlorenen Photonen Dieser Wert beschreibt eine Art Energie-Vervielfältigung: Während eine herkömmliche Solarzelle aus jedem Lichtstrahl bestenfalls ein einziges Energiepaket gewinnt, macht dieses neue System aus 100 Lichtstrahlen etwa 130 Pakete. Das ist deshalb ein massiver Sprung, weil herkömmliche Technik bisher an einer physikalischen Mauer – der Shockley-Queisser-Grenze – scheitert, die den Großteil der Sonnenenergie einfach als Hitze verloren gehen lässt, statt sie in nutzbaren Strom zu verwandeln. Den entscheidenden Hebel setzt das Team beim bisher problematischen blauen Licht an. Ein einzelnes blaues Lichtteilchen liefert zwar viel Energie, setzt in herkömmlichen Zellen aber trotzdem nur ein einziges Energiepaket frei, während der Rest ungenutzt als Wärme verpufft. Das neue Verfahren arbeitet hingegen wie ein geschickter Verteiler: Ein solches großes Energiepaket wird kontrolliert in zwei kleinere Pakete aufgespalten, sodass aus einem Lichtteilchen die doppelte Menge an nutzbaren Ladungsträgern entstehen kann. Ein metallischer Retter gegen Energieverlust Dieser Prozess gilt in der Wissenschaft als Hoffnungsträger, scheiterte in der Praxis jedoch bisher häufig an den genannten internen Energieverlusten. Laut einer im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Studie verhinderte ein physikalischer Effekt namens Förster-Resonanzenergietransfer oft die effiziente Nutzung der gespaltenen Teilchen. Hier kommt der Molybdän-basierte „Spin-Flip“-Emitter ins Spiel, den Professorin Katja Heinze und ihre Arbeitsgruppe in Mainz entwickelt haben. Dieser Komplex fungiert wie ei...