Zwei Elektronen pro Photon – Weg für höheren Wirkungsgrad von Solarzellen

Ein Photon regt zunächst ein Exciton an, aus dem dann zwei Excitonen werden. Diese senden schließlich zwei Elektronen aus.
Pentacen und Excitonen

Die besten, einschichtigen Solarzellen auf der Basis kristallinen Siliziums erreichen heute Wirkungsgrade von etwa 25 Prozent. Eine Steigerung auf über 30 Prozent hält das Team um Marc A. Baldo vom MIT-Energy Frontier Research Center for Excitonics nun für möglich. Dazu fertigten die Wissenschaftler eine mehrschichtige, organische Solarzelle, in der sie zwischen zwei leitfähigen Elektroden aus Silber und Indiumzinnoxid zusätzlich zu den halbleitenden, lichtaktiven Subtanzen eine hauchdünne Doppelschicht aus Fullerenen und Pentacen-Molekülen ergänzten. Erste Experimente zeigten, dass so einzelne Photonen im Bereich des sichtbaren Sonnenspektrums mehr als ein einziges Elektron für die Stromerzeugung freisetzen konnten.

Die Spaltung eines speziellen Anregungszustands – Singlett-Exziton genannt – in zwei Triplett-Exizitonen bildete die Grundlage für diese bessere Nutzung des Sonnenlichts. Denn diese Exzitonen können selbst wieder zerfallen und dabei die für einen photovoltaischen Stromfluss notwendigen Elektronen bereitstellen. In ihrem Experiment ließen Baldo und Kollegen nun sichtbares Licht mit 670 Nanometer Wellenlänge auf ihre Testzelle einstrahlen. In einem ersten Schritt kam es zu einer Anregung der Singlett-Exzitonen-Zustände. Diese spalteten sich dank der Pentacen-Fulleren-Doppelschicht weiter in je zwei Triplett-Exizitonen-Zustände auf, die nach einem sehr kurzen Zerfallsprozess jeweils ein Elektron bereitstellen konnten.

So vielversprechend dieser Ansatz mit einer zusätzlichen Pentacen-Schicht klingt, so mager waren bisher die tatsächlichen Stromausbeuten. Denn der Wirkungsgrad des Prototyps rangierte gerade bei zwei Prozent. Doch die quantenphysikalischen Abläufe belegten, dass der sichtbare Anteil im Sonnenspektrum prinzipiell genug Energie trägt, um pro einfallendem Photon mehr als ein Elektron erhalten zu können. Nun müssen weitere Experimente zeigen, ob sich die Methode der Exzitonen-Spaltung auch auf Solarzellen mit bereits hohen Wirkungsgraden übertragen lässt und auch in der Praxis zu gesteigerten Stromausbeuten führen können.