Solarzellen steuern die 60-Prozent-Marke an
Forscher der University of Oklahoma haben einen entscheidenden Schritt auf dem Weg hin zu den Solarzellen der Zukunft mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent gemacht. Das ist mehr als das Doppelte dessen, was heutige Solarzellen schaffen. Es handelt sich um sogenannte Hot-Carrier-Zellen, die ein effizienzminderndes physikalisches Phänomen umgehen.
13.05.2020
Lösung nach 15 Jahren
Ein großer Teil der energetisch angeregten Elektronen, die die Lichtteilchen (Photonen) aus dem Halbleitermaterial befreien, fließt nicht als Strom zum angeschlossenen Verbraucher, sondern rekombiniert, vereinigt sich also mit ihren Gegenpolen, den Löchern. Dabei wird Wärme frei, die den Wirkungsgrad noch einmal verringert, jedenfalls bei Siliziumzellen. Die Rekombination findet genau in der Schicht statt, in der die Elektronen angeregt werden, dem sogenannten Absorber, der die Lichtteilchen „schluckt“.
Hot Carrier nennt die Forschung diese für die Stromerzeugung verlorenen Elektronen, also Wärmetransporteure. „Obwohl Hot-Carrier-Solarzellen seit 15 Jahren Gegenstand der Forschung sind, ist es noch niemandem gelungen, eine praktisch nutzbare Lösung für dieses Problem zu finden“, sagt Ian Sellers vom Institut für Physik und Astronomie der University of Oklahoma. Es habe lediglich Machbarkeitsstudien mit unrealistische Randbedingungen oder mit Materialien gegeben, die für den Bau von Solarzellen nicht infrage kämen.
Elektronen fließen schneller ab
Sellers' Team ist es gelungen, die Rekombination, die binnen kürzester Zeit stattfindet, teils zu verhindern. Es experimentierte nicht mit Siliziumzellen, sondern mit III-V-Halbleitern. Diese nutzen Elemente aus der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems. In diesem Fall ist es eine Kombizelle aus Indium-Gallium-Arsenid und Aluminium-Indium-Arsenid mit einem speziellen Aufbau, der die Potenzialunterschiede zwischen den einzelnen Schichten verändert. Das sorgt dafür, dass die Elektronen so schnell aus dem Absorber abfließen, dass viele gar keine Zeit haben, sich mit den Löchern zu vereinigen.
