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Aus eins mach zwei

Winzige Kristalle, die nur aus wenigen tausend Atomen bestehen, könnten das Solarzellen-Material der Zukunft sein: Forschern vom National Renewable Energy Laboratory in Golden ist es gelungen, mithilfe solcher Quantenpunkte pro eintreffendem Photon zwei und mehr Elektronen zu erzeugen, berichtet das Wissenschaftsmagazin New Scientist in seiner neuesten Ausgabe (27. Mai).

Alle derzeit erhältlichen Photovoltaik-Anlagen liefern maximal ein Elektron pro Lichtteilchen: Ein Photon mit ausreichender Energie kann in einem Halbleiter wie Silizium ein Elektron-Loch-Paar erzeugen. Elektron und Loch müssen dann getrennt und zu zwei unterschiedlich geladenen Elektroden geleitet werden, damit elektrischer Strom fließt.

Die Forscher um Viktor Klimov zeigten nun, dass in so genannten Quantenpunkten ? Kristallen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern ? manchmal zwei oder sogar noch mehr Elektron-Loch-Paare entstehen, wenn Photonen aus dem Sonnenlicht auf das Material treffen. Die Forscher verwendeten für ihre Experimente Blei-Selenid, ein einfach herzustellendes, wenn auch giftiges Material. Wieso bei den Quantenpunkten andere Gesetze gelten als in größeren Kristallen, wissen die Forscher noch nicht. Auch haben die Elektron-Loch-Paare eine extrem kurze Lebensdauer: Sie vereinigen sich schon nach wenigen Picosekunden, also Billionstel Sekunden, wieder. In gewöhnlichen Solarzellen leben die Paare immerhin eine knappe Millionstel Sekunde.

Die kurze Lebensdauer wirft Probleme für zukünftige Anwendungen auf: Schließlich muss es in dieser kurzen Zeit gelingen, Elektron und Loch zu trennen, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Um die Ladung zu einer Elektrode zu transportieren, gebe es verschiedene Möglichkeiten, heißt es im „New Scientist“. Eine Gruppe von der University of Texas in Dallas versucht zum Beispiel, die Quantenpunkte in leitfähige Polymere einzubetten. Ein anderes Forschungsteam erprobt winzige Nanodrähte als elektrische Leiter.

Auch beim Design der Quantenpunkte gibt es noch Verbesserungsmöglichkeiten: Die Gruppe von Klimov erprobe derzeit andere Materialien und etwas größere Kristalle, so das britische Wissenschaftsmagazin. Er rechne damit, sagt Klimov, dass sich die Effizienz von Solarzellen durch die verdoppelte Elektronen-Ausbeute vom heutigen Rekord von 24,7 Prozent auf bis zu 50 Prozent steigern lässt.

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Ute Kehse
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