Physiker entwickeln neues Solarzellendesign für mehr Effizienz

Physiker der Universität Paderborn haben mithilfe komplexer Computersimulationen ein neues Design für deutlich effizientere Solarzellen als bisher entwickelt. Für die Effizienzsteigerung ist eine dünne Schicht aus organischem Material, dem sogenannten Tetracen, verantwortlich. Die Ergebnisse liegen nun vor veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Die jährliche Energie der Sonnenstrahlung auf der Erde beträgt über eine Billion Kilowattstunden und übersteigt damit den weltweiten Energiebedarf um mehr als das 5.000-fache. Die Photovoltaik, also die Stromerzeugung aus Sonnenlicht, bietet daher ein großes und noch weitgehend ungenutztes Potenzial für.“ „Die Versorgung mit sauberer und erneuerbarer Energie. Silizium-Solarzellen, die hierfür eingesetzt werden, dominieren derzeit den Markt, haben aber Effizienzgrenzen“, erklärt Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Physiker und Dekan der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Paderborn. Ein Grund dafür ist, dass ein Teil der Energie der kurzwelligen Strahlung nicht in Strom, sondern in unerwünschte Wärme umgewandelt wird.

Schmidt erklärt: „Um den Wirkungsgrad zu steigern, kann die Silizium-Solarzelle mit einer organischen Schicht, beispielsweise aus dem Halbleiter Tetracen, versehen werden. Kurzwelliges Licht wird in dieser Schicht absorbiert und in hochenergetische elektronische Anregungen umgewandelt, also.“ „Exzitonen“ genannt. Diese Exzitonen zerfallen im Tetracen in zwei niederenergetische Anregungen. Gelingt es, diese Anregungen erfolgreich auf die Silizium-Solarzelle zu übertragen, können sie effizient in Strom umgewandelt werden und die Gesamtausbeute an nutzbarer Energie erhöhen.“

Entscheidender Durchbruch für eine schnelle Energieübertragung

Den Anregungstransfer von Tetracen in Silizium untersucht Schmidts Team mithilfe komplexer Computersimulationen am Paderborn Center for Parallel Computing (PC2), dem Höchstleistungsrechenzentrum der Universität. Nun ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: In einer gemeinsamen Studie mit Dr. Marvin Krenz und Prof. Dr Film und Solarzelle beschleunigen den Exzitonentransfer drastisch.

Schmidt erklärt: „Solche Defekte treten bei der Desorption von Wasserstoff auf und verursachen elektronische Grenzflächenzustände mit schwankender Energie. Diese Schwankungen transportieren die elektronischen Anregungen vom Tetracen wie ein Aufzug in das Silizium.“

Tatsächlich sind solche „Defekte“ bei Solarzellen mit Energieverlusten verbunden. Umso erstaunlicher sind die Ergebnisse des Physiker-Trios.

„Im Fall der Silizium-Tetracen-Grenzfläche sind die Defekte entscheidend für den schnellen Energietransfer. Die Ergebnisse unserer Computersimulationen sind wirklich überraschend. Sie liefern auch genaue Hinweise für den Entwurf eines neuartigen Solarzellentyps mit deutlich gesteigerter Effizienz.“ “ sagt Schmidt.