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Wissen - 08.07.2019

Neue Technik soll Solarzellen deutlich effizienter machen

Forscher in den USA wollen den Wirkungsgrad von Solaranlagen steigern. Dafür haben sie ein seit den siebziger Jahren bekanntes Problem gelöst.

Der Wirkungsgrad der Zellen könnte theoretisch auf 35 Prozent gesteigert werden.

US-Forscher haben einen Weg gefunden, die Leistung von Solarzellen deutlich zu erhöhen. Dabei setzt ein Photon (Lichtteilchen) zwei Elektronen in Bewegung, so dass ein elektrischer Strom entsteht; bisher ist es nur ein Elektron pro Photon. Eine Gruppe um Markus Einzinger und Marc Baldo vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) stellten ihre Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature“ vor (englischsprachige Zusammenfassung: hier).

Die Forscher gehen davon aus, dass mit dem neuen Prinzip der derzeit theoretisch denkbare maximale Wirkungsgrad von Solarzellen bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom von 29,1 Prozent auf etwa 35 Prozent gesteigert werden kann .


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Das Verfahren: Blaue und grüne Lichtstrahlen haben eine kürzere Wellenlänge als andere, dafür haben die einzelnen Photonen mehr Energie. Ihre Energie würde ausreichen, um zwei Elektronen im Silizium von ihren Atomen zu lösen.

Bereits 1979 erkannte der US-Physiker David Dexter, dass diese Technik generell möglich ist. Wird der Kohlenwasserstoff Tetracen als oberste Schicht auf Solarzellen aufgebracht, so können aus einem energiereichen Photon zwei Exzitonen gewonnen werden anstatt nur eines. Exzitonen sind Energiebündel, die sich wie Elektronen durch Material bewegen können. Die Schwierigkeit bestand darin, diese zwei Exzitonen so vom Tetracen auf das Silizium zu übertragen, dass dort auch zwei Elektronen in Bewegung gesetzt werden. Denn an der Siliziumoberfläche kommt es immer wieder zu Stromverlusten.

Lösung zum Problem

Eine 0,8 Nanometer dicke Zwischenschicht Hafniumoxynitrid verhindert diese Verluste weitgehend. Diese Schicht ist laut Baldo entscheidend: „Das ist der Grund, warum andere Forscher diesen Prozess nicht zum Laufen bringen konnten“, wird er in einer Mitteilung des MIT zitiert.

„Es ist eine spannende, interessante Arbeit, aber ob sie für die Fertigung von Solarzellen relevant ist, wird sich in der Zukunft zeigen“, sagt Jan Christoph Goldschmidt vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Die Neuentwicklung sei noch weit von der Serienreife entfernt. Aktuell liege der Wirkungsgrad der von den Forschern hergestellten Solarzelle trotz der Anregung von zwei Elektronen nur bei 5,1 Prozent.

Allgemein scheint es nicht immer zu genügen, ausschließlich die Technik weiterzuentwickeln. In einer Studie im Journal „Nature Energy“ zeigen Bart Sweerts von der ETH Zürich und seine Kollegen, dass China mehr Solarstrom erzeugen könnte, wenn die Luftverschmutzung geringer wäre. Das Team um Sweerts analysierte Sonnenlichtdaten von 119 Messstationen in ganz China. Ihrer Analyse zufolge hat sich das Potenzial der Solarstromgewinnung in China aufgrund der Luftverschmutzung von 1960 bis 2015 um 13 Prozent verringert. (dpa)

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