Doppelter Solarstrom dank "heißer" Elektronen

Mit Quantenpunkten aus Bleiselenid und dem Pigment Titanoxid könnten auch "heiße" Elektronen zur Stromgewinnung in Solarzellen beitragen

Solarzelle für "heiße" Elektronen
Solarzelle für "heiße" Elektronen

Austin (USA) - Solarzellen mögen keine Sonnenwärme. Mit jeden Grad mehr sinkt der Wirkungsgrad um knapp ein halbes Prozent. Genau in dieser Wärme sehen amerikanische Forscher nun den Schlüssel, die Effizienz von Siliziumzellen von derzeit 20 bis 30 Prozent sogar noch zu verdoppeln. Nanostrukturen aus Bleiselenid und eine Titanoxidschicht könnten dabei helfen, berichten die Solarwissenschaftler in "Science".

"Wenn wir die heißen Elektronen auffangen, können wir weiter mit ihnen arbeiten", sagt Xiaoyang Zhu, Chemiker an der University of Texas in Austin. "Heiße" Elektronen entstehen beim Einfall des Sonnenlichts auf eine Solarzelle und sind bisher eher unerwünscht. Denn sie entstehen durch die energiereichen Strahlen im Sonnenlicht, die im Halbleiter Silizium bisher kaum zur Stromerzeugung beitragen. Im Gegenteil, sie heizen die Zelle auf und verringern dadurch zusätzlich den Wirkungsgrad.

Wie seit wenigen Jahren bekannt ist, kann ein Ensemble aus winzigen Nanokristallen aus Bleiselenid diese heißen und schnellen Elektronen zumindest etwas abbremsen. Die Arbeitsgruppe aus Texas ging nun einen Schritt weiter und konnte diese Elektronen mit einer dünnen Schicht aus dem Weißpigment Titandioxid einsammeln. So geht die Energie dieser Ladungsträger nicht als Wärme verloren, sondern könnte ebenfalls zur Stromerzeugung genutzt werden.

Sollte dieser letzte Schritt - der Transfer heißer Elektronen in einen Stromkreislauf - gelingen, locken Solarzellen auf Siliziumbasis mit bis zu 60 Prozent Wirkungsgrad, ist Zhu überzeugt. "Wir wollen den Großteil der Energie im Sonnenlicht einfangen. Das wäre die ultimative Solarzelle", sagt der Forscher. Bis es soweit ist, werden sicher noch einige Jahre vergehen. Andere Ansätze für möglichst effiziente Solarzellen basieren auf einem mehrschichtigen Aufbau von Solarzellen. Solche Tandem- und Tripelzellen verwenden verschiedene Halbleiter-Materialien, um einen möglichst breiten Bereich des Sonnenspektrums für die Stromerzeugung zu nutzen. Häufig werden dabei neben Silizium auch teure Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid verwendet, wodurch die Wirtschaftlichkeit dieser Zellen wieder sinkt. Das Konzept von Zhu zum Einfangen heißer Elektronen hätte den Vorteil, auf günstigen Materialien wie Titandioxid aufzubauen.