Es wurde en Wäg gfunde, wie mer d’Grenze vo dr Effizienz bi Solarpanels überwindet.

Neue Methode macht aus «überschüssiger» Lichtenergie zusätzliche Ladungsträger und übertrifft die klassische Grenze

Forschende haben einen Ansatz vorgestellt, um eine der zentralen physikalischen Grenzen der Solarenergie zu umgehen: die Shockley–Queisser-Grenze. Sie beschreibt den maximal theoretischen Wirkungsgrad einer Solarzelle und galt seit über 60 Jahren als obere Effizienzgrenze für Photovoltaik.

Warum heutige Photovoltaik trotz idealer Bedingungen limitiert ist

Moderne Solarpanels beruhen auf photovoltaischen Zellen – Halbleitern, die Licht direkt in elektrischen Strom umwandeln. Selbst unter optimalen Voraussetzungen lässt sich jedoch nur ein Teil der Energie der Sonneneinstrahlung nutzen. Der theoretische Maximalwert liegt bei 33%, während kommerzielle Module in der Praxis meist nur etwa 25% erreichen.

Der Grund dafür liegt in den Eigenschaften des Lichts und in thermodynamischen Zusammenhängen. Sonnenlicht umfasst ein breites Energiespektrum, Solarzellen können aber nur einen begrenzten Energiebereich effizient verwerten. Photonen mit zu geringer Energie passieren das Material weitgehend ungenutzt, und Photonen mit höherer Energie geben ihren Überschuss typischerweise als Wärme ab.

Shockley–Queisser-Grenze und blaues Licht: «verlorene» Spektralanteile nutzbar machen

In einer neuen Arbeit schlagen Teams aus Japan und Deutschland vor, genau jene Spektralanteile zu nutzen, die bislang als «verloren» galten. Im Fokus steht hochenergetisches blaues Licht, das sich unter normalen Bedingungen nicht besonders effizient in elektrische Energie umsetzen lässt.

Die Forschenden konnten zeigen, dass sich bei Bestrahlung eines speziellen Systems die Energie eines Photons in zwei nutzbare Anregungen «aufteilen» lässt. Damit erreichten sie eine Effizienz von rund 130% – das heisst: Auf 100 absorbierte Photonen kommen 130 Energieträger.

Singulett-Spaltung als Schlüsselmechanismus

Entscheidend ist dabei das Phänomen der Singulett-Spaltung. Es ermöglicht, dass aus einem angeregten Zustand zwei Anregungen entstehen. So steigt die Zahl der erzeugten Ladungsträger, ohne dass dafür mehr Photonen absorbiert werden müssen.

Materialkombination: Tetracen und Molybdän für mehr Stabilität

Für die Umsetzung nutzten die Forschenden die organische Molekülverbindung Tetracen in Kombination mit dem metallischen Element Molybdän. Tetracen wurde zwar bereits früher für die Arbeit mit hochenergetischem Licht eingesetzt, doch solche Systeme litten häufig unter Problemen bei der Stabilität und beim Dauerbetrieb. Laut den Autorinnen und Autoren hilft die Zugabe von Molybdän, diese Einschränkungen zu überwinden.

Zwei Wege, die Shockley–Queisser-Grenze zu überlisten

Einer der Autoren, der Chemiker Yoichi Sasaki von der Universität Kyushu, erklärte, es gebe zwei grundlegende Strategien, um die Shockley–Queisser-Grenze zu durchbrechen. Der erste Ansatz besteht darin, energiearme infrarote Photonen in energiereichere umzuwandeln. Der zweite Ansatz nutzt die Singulett-Spaltung, um aus einem Photon zwei Anregungen zu erzeugen – genau das wurde in dieser Arbeit umgesetzt.

Stand der Forschung und Bedeutung der Ergebnisse

Aktuell befindet sich das Projekt noch im Labormassstab. Die Resultate zeigen, dass sich die fundamentale Begrenzung prinzipiell umgehen lässt, auch wenn bis zur Anwendung in kommerziellen Solarpanels noch ein weiter Weg vorliegt.

Trotzdem gilt die Arbeit als einer der deutlichsten Schritte hin zu einer Neubewertung einer Grenze, die lange als unüberwindbar angesehen wurde. Sollte sich die Technologie skalieren lassen, könnte sie die Entwicklung von Photovoltaik-Zellen verändern und den Wirkungsgrad der Solarenergie erhöhen – ohne die grundlegende Architektur der Technologie radikal umzubauen.