Photonen-Teiler steigert Stromausbeute von Solarzellen - wissenschaft.de
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Photonen-Teiler steigert Stromausbeute von Solarzellen

Die besten Solarzellen aus kristallinem Silizium liefern heute Strom mit einem Wirkungsgrad von rund 30 Prozent. Deutsche und australische Physiker haben nun einen Weg gefunden, diese Ausbeute um ein Drittel zu erhöhen. Dazu soll die Energie von nur einem Lichtteilchen auf zwei Photonen verteilt werden.

Geht bisher ein Teil der Energie bestimmter Lichtteilchen in Form von Wärme verloren, könnte diese Überschussenergie nun mit einem Photonen-Teiler ebenfalls zur Stromproduktion genutzt werden, berichten die Forscher im Fachblatt „Journal of Applied Physics“ (Vol. 92, S. 1668). „Eine maximale Umwandlungs-Effizienz von 39,63 Prozent kann damit erreicht werden“, schreiben Peter Würfel von der Universität Karlsruhe und seine australischen Kollegen von der University of South Wales.

Solarzellen erzeugen Strom, indem Elektronen von dem einfallenden Sonnenlicht aus ihrer normalen Umlaufbahn in das so genannte Leitungsband „geschubst“ werden. Um diese Bandlücke zu überwinden, müssen die Photonen einen fest bestimmten Wert an Energie auf die Elektronen übertragen. Einige Lichtteilchen tragen allerdings mindestens doppelt soviel Energie als eigentlich für diesen Elektronen-Sprung nötig ist. Geht diese Energie bisher in Form von Wärme verloren, kann ein vorgeschalteter Photonen-Spalter diese Energie auf zwei Lichtteilchen übertragen. Beide Photonen könnten dann Elektronen anregen und darüber Strom produzieren.

Um ihre Idee in einen Prototypen umzusetzen, schlagen die Wissenschaftler eine zusätzliche Schicht aus Aluminiumarsenid oder Galliumphosphid vor. Auf die Solarzelle aufgebracht, fängt dieses Material die energiereichen Photonen ab. Dabei werden Elektronen für kurze Zeit in einen angeregten Zustand versetzt. Fallen sie über zwei Stufen wieder in ihr ursprüngliches Energieniveau zurück, sollen zwei Photonen entstehen. Beide tragen dann ausreichend Energie, um im Silizium-Kristall Strom zu erzeugen.

Die beste Ausbeute ist theoretisch möglich, wenn sich dieser Photonen-Spalter auf der Rückseite der Solarzelle befindet. Ein Nachteil dabei ist jedoch, dass die meisten Halbleiterzellen, solche energiereichen Lichtteilchen nicht ungehindert durchfliegen lassen. Bestimmte „Farbstoff-sensivierte Zellen“ bieten sich hier als Lösung an. Doch auch wenn sich der Photonen-Spalter auf der Vorderseite befindet, könnte die Stromausbeute auf maximal 38,6 Prozent erhöht werden.

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Jan Oliver Löfken
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