Boston – Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen Mechanismus gefunden, mit dem der Wirkungsgrad von Solarzellen deutlich angehoben werden kann. Durch bestimmte Materialien lässt sich die eingegangene Energie mit geringerem Verlust in Elektrizität umwandeln. Das MIT-Team hat nun Richtlinien entworfen, um solche speziellen Materialien zu verwenden und damit hocheffiziente Solarzellen zu erzeugen.
Konzept aus den 1960er-Jahren
In den meisten photovoltaischen Materialien erregt ein Photon ein Molekül und bewegt dieses dazu, ein Elektron abzugeben. Aber auch wenn Hochenergie-Photonen mehr als genug Energie zur Verfügung stellen, wird das Molekül bei heutigen Solarzellen nur ein Elektron abgeben. Der Rest der Energie verpufft als Abwärme.
Einige wenige organische Moleküle folgen diesem Muster nicht und generieren mehr als ein Elektron pro Hoch-Energie-Photon. Das Phänomen wurde schon in den 1960er-Jahren erkannt. Jedoch konnte das damals erworbene Wissen bislang nicht für funktionierende Solarzellen umgesetzt werden – das soll sich nun aber ändern.
Noch effizientere Energieausbeute
Über die vergangenen vier Jahre hat sich das MIT-Team diesem Problem theoretisch und experimentell angenommen. 2013 erklärten die Forscher, die erste Solarzelle entwickelt zu haben, die Extra-Elektronen von sichtbarem Licht abgibt. Ihren Berechnungen zufolge würde die Technologie die Effizienz von Solarenergie um 25 Prozent steigern.
Die Erfolge wurden jedoch ausschliesslich durch Experimentieren mit verschiedenen Materialien erzielt. Die Funktionsweise dahinter bleibt noch im Dunkeln. «Wir können rational noch keine Materialien und Gerätschaften entwickeln, solange wir nicht den Mechanismus hinter der Spaltung verstehen, und solange wir nicht wirklich wissen, was die Elektronen eigentlich tun», meint Troy Van Voorhis, einer der Leiter der Studie.
Spaltungsraten besser vorhersagbar
Die neue Formel, die Van Voorhis entwickelt hat, kann die Elektronen-Spaltungsrate von unterschiedlichsten Materialien voraussagen. Die Formel bestätigt auch die klassische Theorie der 1960er-Jahre: Wenn Überschuss-Energie in den Materialien vorhanden ist, wird ein Elektron eines angeregten Moleküls mit einem Elektron eines nichtangeregten Moleküls den Platz tauschen.
Laut den Forschern besteht jedes Molekül aus etwa 50 Atomen. Jedes Atom besitzt sechs bis zehn Elektronen. «Dies sind komplizierte Systeme», meint Van Voorhis und fügt hinzu: «Das ist der Grund, warum die Forscher vor 50 Jahren solche Modelle mit Computern nicht abbilden konnten. Aber heute können sie es.» Die Ergebnisse wurden im Journal Nature Chemistry veröffentlicht. (pte/mc/ps)